Bewegen von Papierteilen für Roboter

Forscher der Inha-Universität in Südkorea haben gezeigt, dass Zellulose, der Hauptbestandteil von Papier, sich durch Elektrizität verbiegen kann. Die behandelte Zellulose ist leicht, kostengünstig und hat einen geringen Energiebedarf im Vergleich zu ähnlichen elektrisch aktiven Materialien.

Dieser dünne Film aus goldbeschichteter Zellulose schlägt als Reaktion auf elektrischen Strom wie Libellenflügel. Das als elektroaktives Papier bezeichnete Material könnte als Flügel für kleine Flugroboter dienen. (Mit freundlicher Genehmigung von Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)

Die koreanischen Forscher arbeiten nun mit der NASA zusammen, um insektengroße, drahtlos angetriebene Flugfahrzeuge mit schlagenden Papierflügeln zu entwickeln. Solche Fahrzeuge könnten in für Menschen unsichere Gebiete einfliegen und auf gefährliche Gase testen – oder die Marsoberfläche aus der Luft vermessen.



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Die Forscher, angeführt von Jaehwan Kim , außerordentlicher Professor an der Universität, stellte die elektrisch aktive Zellulose her, indem er Papierbrei auflöste, zu Platten formte und mit einer Goldschicht als Elektrode überzog. Einige Bereiche der Zellulosefolie sind stark geordnet, während sich in anderen Bereichen die Zellulosestränge wie Spaghetti verheddern. Die Bewegung von Ionen durch das Papier – und die Bewegung der Zellulosestränge selbst, die negativ und positiv geladene Enden haben – bewirkt, dass sich das Papier als Reaktion auf einen elektrischen Strom biegt. Die Biegung wird durch die geordneten Bereiche getrieben, aber freier Raum in ungeordneten Bereichen lässt Ionen freier fließen und erhöht die Fähigkeit des Papiers, sich zu verformen.

Materialien, die sich als Reaktion auf elektrischen Strom bewegen, werden Piezoelektrika genannt. Kims Zellulose gehört zu einer neuen Klasse dieser Materialien, die als elektroaktive Polymere bezeichnet werden und die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft für ihre potenziellen Verwendungen in vielen Bereichen Aufsehen erregt haben: künstliche Muskeln, chemische Sensoren, visuelle Displays, bewegliche Teile von Robotern und Batterien.

Der Wert von elektrisch aktivem Papier besteht darin, dass es im Vergleich zu herkömmlichen elektroaktiven Polymeren leicht ist und bei niedriger Spannung eine hohe Durchbiegung [Bewegung] aufweist, sagt Sang Choi, leitender Forscher am NASA Langley Research Center. Wenn an Kims Papier eine kleine Spannung angelegt wird, kann es sich relativ weit bewegen; Beispielsweise wurde in Experimenten die Spitze eines 30 Millimeter langen Streifens elektroaktiven Papiers um 4,2 Millimeter verschoben. Tatsächlich ist die Stärke des elektrischen Felds, die erforderlich ist, um die Papierspitze zu ihrer maximalen Auslenkung zu bewegen, ein bis zwei Größenordnungen geringer als bei anderen elektroaktiven Polymeren. Und das Papier kann seine Form schnell ändern und sich alle 0,06 Sekunden hin und her bewegen.

Choi von der NASA interessiert sich für Kims Material, weil es im Vergleich zu herkömmlichen Piezoelektrika und anderen elektroaktiven Polymeren sehr leicht ist und sehr wenig Strom benötigt. Zusammen entwerfen Choi und Kim ein kleines Fluggerät mit Zelluloseflügeln, die von Umgebungsmikrowellen angetrieben werden. Choi sagt, die NASA erwarte, dass solche Roboter bei ihren langfristigen Erkundungsmissionen eine wichtige Rolle spielen. Zum Beispiel könnten kleine Roboter mit beweglichen Teilen aus Papier oder anderen Materialien tief über die Marsoberfläche fliegen, um ihre Topologie zu überwachen. Noch ist unklar, ob Zellulose den extremen Bedingungen im Weltraum standhält.

Die bisher von Kim hergestellten Zellulosefolien können nicht viel Kraft ausüben – ein Muss für Roboteranwendungen. Also arbeitet er mit Zoubeida Ounaies , Assistant Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Texas A&M University, um diese intelligente Zellulose zu stärken. Ounaies fügt gelöster Zellulose Kohlenstoff-Nanoröhrchen hinzu, die für ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit geschätzt werden. Die Mischung wird noch untersucht, aber die Idee ist, dass Filme aus Zellulosesträngen, die eng mit Kohlenstoffnanoröhren verheddert sind, mehr Kraft ausüben können als reine Zellulosefilme.

Zellulose ist billig und leicht erhältlich – Kims Folie kann sogar durch Behandlung von handelsüblichem Papier hergestellt werden. Im Vergleich dazu kostet das am häufigsten verwendete elektrisch aktive Polymer, Polyanilin, 68 US-Dollar pro Gramm, sagt Victoria Finkenstadt , ein Forschungschemiker beim USDA Agricultural Research Service. Obwohl die Robustheit und Festigkeit von Zellulose noch nicht nachgewiesen werden muss, könnte sie sich auch als gutes Material für die künstliche Muskulatur in der Robotik erweisen, sagt Finkenstadt.

Diese Materialien können uns [Roboter] Fortbewegung ermöglichen, von denen wir nie geträumt haben, sagt Kwang J. Kim , außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of Nevada in Reno (der nicht an der Zelluloseforschung beteiligt war). Aber Kim sagt, das Gebiet der elektrisch aktiven Polymere sei noch jung und die Forscher entwickeln noch Anwendungen. In einigen Jahren werden interessante Technologien auf den Markt kommen, prognostiziert er.

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