Was ist ein weicher Aktuator?
Ein Aktuator ist ein Mechanismus, der Energie aus einer Kraftquelle in physikalische Bewegung umwandelt.
So können Wasserturbinen und Windturbinen als eine Art von Aktuatoren betrachtet werden.
Im Allgemeinen wird ein Mechanismus, der die Bewegung von Muskeln und Gelenken nachahmt, die menschliche Finger bewegen, als Aktor bezeichnet.
Weiche Aktuatoren hingegen beziehen sich auf Mechanismen, bei denen leichte, flexible Materialien, die auf Umweltveränderungen oder äußere Reize wie Salz, Lösungsmittel oder Wärme reagieren, ähnlich wie Aktuatoren wirken.
Weiche Aktuatoren unterscheiden sich von Aktuatoren dadurch, dass sie leicht sind und flexibel auf Umweltveränderungen und äußere Reize reagieren können.
Anwendungen von weichen Aktuatoren
Weiche Aktuatoren werden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität in künstlichen Muskeln eingesetzt. Künstliche Muskeln sind Produkte, die menschliche Muskeln mit Hilfe von weichen Aktuatoren imitieren. Sie werden in Robotern und schweren Maschinen eingesetzt.
Neben künstlichen Muskeln werden weiche Aktuatoren auch in künstlichen Organen wie Herzen und Därmen eingesetzt.
Sie werden auch in zahlreichen anderen Branchen und Bereichen eingesetzt, zum Beispiel im Baugewerbe und in der Krankenpflege. In diesen Bereichen wird der Rücken der Beschäftigten durch die tägliche Bewegung von Pflegern und schweren Lasten stark beansprucht.
Aus diesem Grund werden auf weiche Aktuatoren basierende Rückenunterstützungskleidung, künstliche Muskeln zur Bewegungsunterstützung und Muskelanzüge eingesetzt.
Da weiche Aktuatoren empfindlich auf äußere Reize reagieren, ist es möglich, dass sie als Reaktion auf Temperaturschwankungen Strom erzeugen. Dies wird derzeit erwogen.
Einsatz von weichen Aktuatoren in der Robotik
Weiche Aktuatoren sind formanpassungsfähig, flexibel, dehnbar, leicht und kostengünstig.
Ein weiterer Vorteil ist die Verfügbarkeit von Materialien, die in der Luft stabil sind und keine Betriebsgeräusche verursachen.
Sie reagieren auch in komplexen Geometrien passiv und arbeiten stabil mit wenig oder gar keiner Steuerung.
Darüber hinaus sind weiche Aktuatoren auch ein umweltfreundliches Material, da sie sich schon bei geringer Energiezufuhr stark verformen.
Diese Eigenschaften führen zu einem Verhalten, das im Vergleich zu herkömmlichen Aktuatoren einzigartig ist.
Aus diesem Grund werden weiche Aktuatoren in den letzten Jahren vor allem in der Robotik eingesetzt, wo sie für den Einsatz unter extremen Bedingungen und unter Wasser entwickelt werden.
Die nächste Generation von Gummimaterialien kann beispielsweise durch elektrischen Strom ausgedehnt und zusammengezogen werden, und weiche Aktuatoren, die diese Materialien enthalten, können in Roboterarmen eingesetzt werden.
PVC-Gel wird auch als weicher Aktuator in tragbaren Robotern, z. B. in Muskelanzügen, verwendet.
Funktionsweise von weichen Aktuatoren
Weiche Aktuatoren können auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden, je nachdem, welche Materialien verwendet werden und wie sie funktionieren. Daher werden in diesem Abschnitt einige Auszüge erläutert:
Künstliche Muskeln mit weichen Aktuatoren werden im Allgemeinen durch chemomechanische Reaktionen betrieben. Eine chemomechanische Reaktion ist eine mechanische Bewegung, die durch eine Temperaturänderung, einen Lösungsmittelaustausch, eine chemische Zugabe oder einen Stimulus wie Licht oder ein elektrisches Feld ausgelöst wird.
In einer durch Temperaturänderung aktivierten Form wird zum Beispiel Polymethacrylsäure (PMAA) verwendet, wobei PMAA durch Wasserstoffbrückenbindungen mit Polyethylenglykol in wässriger Lösung intermolekulare Komplexe bildet.
Diese Methode funktioniert auf der Grundlage des Gleichgewichts zwischen den Polymeren, so dass mit zunehmender Konzentration von Polyethylenglykol in der wässrigen Lösung dieses bei höheren Temperaturen schrumpft.
Das mit dieser Methode gebildete Formgedächtnisgel kann durch Behandlung mit Ethanol beliebig oft umgeformt werden.
Einteilung der weichen Aktuatoren
Weiche Aktuatoren können nach den verwendeten Materialien eingeteilt werden. Einige dieser Materialien werden im Folgenden beschrieben und erläutert:
Polymergel-Aktuatoren
Polymergel-Aktuatoren sind eine Art von weichen Aktuatoren, bei denen ein Polymergel als Material verwendet wird. Das Material beginnt sich zu verformen, wenn eine Spannung angelegt wird. Diese Aktuatoren haben aufgrund ihrer Reaktionsfähigkeit, ihres geringen Gewichts, ihrer niedrigen Produktionskosten und ihrer hohen Energieumwandlungseffizienz Aufmerksamkeit erregt.
Aktuatoren aus leitfähigem Polymer
Leitfähige Polymeraktuatoren sind eine Art von weichen Aktuatoren, bei denen leitfähige Polymermaterialien wie Polypyrrol (PPy), Polythiophen und Polyanilin (PANI) als Materialien verwendet werden. Der Aktor besteht aus einem leitfähigen Polymermaterial und einer Gegenelektrode in einem ionenhaltigen Elektrolyten. Das leitfähige Polymermaterial dehnt sich aus und zieht sich zusammen, wenn eine Spannung zwischen ihnen angelegt wird.
Andere Arten von weichen Aktuatoren sind Elastomeraktuatoren und Aktuatoren aus Kohlenstoffnanoröhren.