Raamwerkstructuur met nanoscopische isolatie maakt componenten voor zachte robotica en flexibele elektronica mogelijk

Klassieke robots, zoals die in de productie worden gebruikt, kunnen zware lasten heffen en geautomatiseerde processen nauwkeurig herhalen. Maar ze zijn te rigide en omvangrijk voor delicaat werk en interactie met mensen. Het onderzoeksveld van de zachte robotica werkt aan de ontwikkeling van robots gemaakt van zachte, organische materialen en flexibele technische componenten. Materiaalonderzoekers van de Universiteit van Kiel hebben nu een nieuw zacht geleidend materiaal ontwikkeld.

In tegenstelling tot conventionele zachte geleiders vertoont het opmerkelijk stabiele elektrische eigenschappen, zelfs bij vervorming. De reden hiervoor is de speciale structuur van het materiaal en een nanoscopisch isolerende dunne filmcoating. Het onderzoeksteam publiceerde zijn resultaten in het huidige nummer van het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.

Constante elektrische weerstand, zelfs tijdens vervorming

In tegenstelling tot klassieke robots kunnen mensen en dieren vloeiende en fijne bewegingen maken en aanpassen aan hun omgeving. Geïnspireerd door de natuur, vertrouwt zachte robotica daarom op elastische, organische materialen gemaakt van koolstof in plaats van conventionele, stijve metalen. Bovendien hebben zachte robots elastische elektrische geleiders nodig voor communicatie tussen hun sensoren en actuatoren.

“Conventionele geleiders van metaal geleiden elektriciteit natuurlijk goed, maar ze zijn te rigide voor flexibele componenten. Bij vervorming veranderen ze hun elektrische weerstand en dit beïnvloedt hun gebruik in zachte robotica”, zegt Dr. Fabian Schütt, het hoofd van de junior onderzoeksgroep Multiscale Materials Engineering aan de leerstoel Functionele Nanomaterialen aan de Universiteit van Kiel.

De weerstand van het materiaal, dat Schütt samen met collega’s van het Institute of Materials Science aan de Universiteit van Kiel ontwikkelde, blijft daarentegen constant wanneer het wordt vervormd. “Zowel de initiële elektrische als mechanische eigenschappen blijven behouden tijdens langdurig fietsen, zelfs na 2000 cycli bij 50% compressie”, zegt Igor Barg, een doctoraal onderzoeker bij de leerstoel voor multicomponentmaterialen en de eerste auteur van het artikel.

Door verschillende expertises binnen het Priority Research Area KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) van de Universiteit van Kiel te combineren, creëerden ze een materiaal gemaakt van fijne draden dat eruitziet als een donkere spons. De draden bestaan ​​uit onderling verbonden microbuisjes gemaakt van een elektrisch geleidend polymeer. Deze delicate netwerkstructuur maakt het materiaal ultralicht en tegelijkertijd extreem elastisch.

Nanoscopische isolatiefilm beschermt de elektrische eigenschappen van het materiaal

“Er wordt al enkele jaren onderzoek gedaan naar rekbare, sponsachtige geleiders. Maar zodra ze vervormen, verandert ook hun weerstand door het zogenaamde piëzoresistieve effect”, legt Barg uit. Om dit effect te voorkomen, bekleedde het team hun materiaal met een niet-geleidende, nanoscopisch dunne film van polytetrafluorethyleen (PTFE).

“Je kunt het zien als een klassieke stroomkabel”, zegt Barg. De laag voorkomt dat de draden tijdens het comprimeren direct met elkaar in contact komen en nieuwe elektrisch geleidende banen creëren. Zo blijft de weerstand zelfs bij grote vervormingen constant. De isolatie verbetert ook de mechanische stabiliteit van de draden en beschermt hun elektrische eigenschappen tegen invloeden van buitenaf zoals vocht.

Om deze zeer poreuze raamwerkstructuur te coaten is een speciale techniek nodig. Dr. Stefan Schröder is hoofd van de junior onderzoeksgroep Functional CVD Polymers bij de Chair for Multicomponent Materials en werkt met de geïnitieerde chemical vapour deposition (iCVD).

Hierdoor is het mogelijk om zelfs materialen met complexe structuren en oppervlakken conform te coaten: het samenbrengen van verschillende gassen in een reactor zet een chemische reactie op gang en een dunne polymeerfilm begint te groeien op het te coaten materiaal. “Omdat deze coating slechts enkele nanometers dun is, blijven de draden elastisch en neemt het totale gewicht van het materiaal nauwelijks toe”, legt Schröder uit.

Ook toepassingen in de medische technologie zijn denkbaar

“Dit voorbeeld laat heel goed zien hoe we coating op nanoschaal kunnen gebruiken om specifiek de eigenschappen van onze raamwerkstructuren, die tot enkele kubieke centimeters groot zijn, te veranderen en zelfs volledig nieuwe functies te creëren”, zegt Schütt.

“Door onze methoden te combineren, zijn in de toekomst misschien andere toepassingen mogelijk, ook commerciële, bijvoorbeeld in medische technologie of energieopslag”, voegt Schröder toe. Die mogelijkheden willen ze nu onderzoeken in verdere gezamenlijke onderzoeksprojecten.