Flexoelektrizität in weichen Elastomeren nutzen für verbesserte Roboterbeweglichkeit

Einige Materialien in der Natur können ihre Größe und Form erheblich verändern – sich verformen – wie ein Gummiband, wenn ein elektrisches Signal angelegt wird. Diese Materialien wirken als Energiewandler, die sich bei elektrischem Signal verformen oder bei mechanischer Manipulation Elektrizität liefern. Dies nennt man Piezoelektrizität und ist nützlich für Sensoren, Laserelektronik und andere Anwendungen. Diese natürlich vorkommenden Materialien sind selten und bestehen aus steifen kristallinen Strukturen, die oft giftig sind – drei deutliche Nachteile für menschliche Anwendungen.

Künstliche Polymere bieten Schritte zur Linderung dieser Probleme, indem sie Materialknappheit beseitigen und weiche Polymere schaffen, die sich biegen und dehnen lassen – sogenannte weiche Elastomere –, doch bisher fehlten diesen weichen Elastomern signifikante piezoelektrische Eigenschaften.

Forscher haben nun „riesige Flexoelektrizität“ in weichen Elastomeren demonstriert, die die Bewegungsreichweite von Robotern verbessern und selbstbetriebene Herzschrittmacher realistisch machen könnten. Diese Theorie schafft eine Verbindung zwischen Elektrizität und mechanischer Bewegung in weichen, gummiartigen Materialien. Während einige Polymere schwach piezoelektrisch sind, gibt es keine weichen, gummiartigen Materialien, die piezoelektrisch sind. Der Begriff für diese multifunktionalen weichen Elastomere mit erhöhter Fähigkeit ist „riesige Flexoelektrizität“ – also die Steigerung der flexoelektrischen Leistung in weichen Materialien.

In den meisten weichen Gummimaterialien ist Flexoelektrizität recht schwach, doch durch Umordnung der Ketten in Einheitszellen auf molekularer Ebene zeigt die Theorie, dass weiche Elastomere Flexoelektrizität von fast 10⁴-fach des konventionellen Betrags erreichen können. Menschliche Roboter aus weichen Elastomeren mit erhöhter Flexoelektrizität wären zu größerer Bewegungsreichweite für physische Aufgaben fähig. Im menschlichen Herzen implantierte Schrittmacher, die Lithiumbatterien nutzen, könnten stattdessen selbstversorgt werden, da natürliche Bewegung elektrische Energie erzeugt.

Die Mechanik weicher Elastomere, die durch elektrische Signale erzeugt und manipuliert werden, repliziert eine ähnliche Funktion im menschlichen Ohr. Schall trifft das Trommelfell, das vibriert und elektrische Signale an das Gehirn sendet, wo sie interpretiert. In diesem Fall kann Bewegung weiche Elastomere manipulieren und Elektrizität erzeugen, um ein Gerät selbst zu versorgen. Dieser Prozess der Selbststromerzeugung durch Bewegung ist ein Fortschritt gegenüber typischen Batterien.

Bemühungen zur weiteren Verbesserung des flexoelektrischen Effekts in weichen Elastomeren werden Gegenstand weiterer Studien sein.