Gummi lässt die Muskeln Gummi lässt die Muskeln spielenspielen
Christoph Keplinger und Martin Kaltenbrunner
Verleihung des Linzer „Wilhelm - Macke - Award“ 16.04.2009
Abteilung für Physik der Weichen Materie
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Terminator 3 – Rebellion der Terminator 3 – Rebellion der MaschinenMaschinen
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Sind solche Roboter realisierbar?Sind solche Roboter realisierbar?
Künstliche Intelligenz (ob diese Maschinen eine solche besitzen bleibt
dahingestellt…)
Konstruktionsmaterialien: Gewicht, Stabilität,
Flexibilität,…Sensorik:
Sehen, Hören, Tasten…
Und wenn man an Schwarzenegger denkt:
Künstliche MUSKELN (Aktoren)
Gewicht/Maximalkraft, Energiebedarf,…
P.S.: Aktoren werden natürlich nichtnur bei Robotern eingesetzt.
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Von der Science Fiction in die Von der Science Fiction in die Vergangenheit...Vergangenheit...
Wie löst man das Problem, Maschinen bewegungsfähig zu
machen?
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……bis zur Gegenwartbis zur Gegenwart
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……eine elegantere Lösung…eine elegantere Lösung…
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……aber eine noch bessere Lösung aber eine noch bessere Lösung liegt schon seit liegt schon seit über 100 Jahrenüber 100 Jahren in den in den
Bibliotheken!Bibliotheken!
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Das Röntgen ExperimentDas Röntgen Experiment
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
CoulombkraftCoulombkraft
1 22
0
1
4 r
Q QF e
r
Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Aber warum will sich der Gummi nach Entladung Aber warum will sich der Gummi nach Entladung wieder zusammenziehen?wieder zusammenziehen?
Ein anschauliches Modell für
Gummi:
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Entropie…Entropie…
ln Anzahl der RealisierungsmöglichkeitenBS k
Gummi hat das Bestreben, in den Zustand max. Gummi hat das Bestreben, in den Zustand max. Entropie zurückzukehrenEntropie zurückzukehren
r
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Ein anschaulicher Vergleich…Ein anschaulicher Vergleich…
• Zimmer dem Zufall überlassen - Gummiband im Ausgangszustand
• Arbeit ins Zimmer stecken (aufräumen) - Gummimoleküle durch die
elektrostatische Kraft strecken
• Zimmer wieder dem Zufall überlassen -
Gummiband kehrt wie Zimmer wieder
in Ausgangszustand zurück
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
Gummi
dehnbare Elektroden
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
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Warum ist diese Methode so gut für Aktoren Warum ist diese Methode so gut für Aktoren geeignet?geeignet?
• Elastomer Aktoren sind Kondensatoren variabler Kapazität Energieeffizienz
• kostengünstige Ausgangsmaterialien
• sehr hohe Energiedichte bei geringem Gewicht
• Flexibilität und Elastizität der Materialen verleihen dem Aktor „Bewegungseleganz“
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Warum sind solche Aktoren noch nicht im Einsatz?Warum sind solche Aktoren noch nicht im Einsatz?
• komplizierter Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Deformationszustand des Elastomers
• benötigte Spannungen sehr hoch (kV-Bereich)
• diese Spannungen können das Elastomer zerstören
Verständnis der Eigenschaften der Elastomere muss verbessert werden, um geeignete Materialen zu entwickeln und Elastomer Aktoren zu optimieren
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Was uns bis jetzt gelungen ist…Was uns bis jetzt gelungen ist…
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Elektrische Analyse und Steuerung
Mathematische Modellierung
Designparameter für Materialwissenschaftler und Industrie zur
Optimierung der Elastomer Aktoren
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Die Formeln werden zum Leben erweckt…Die Formeln werden zum Leben erweckt……eine einfache Anwendung:…eine einfache Anwendung:
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……die Spaß macht!die Spaß macht!
Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Danke…Danke…
……an meine an meine Kollegen…Kollegen…
……und für eure und für eure Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!
- team: