Neues Herstellungsverfahren für elektroaktive Polymere

Künstliche Muskeln aus dem Sprayer

05.04.2016 | MARTINA PETER
Forscher der Empa und der Universität Basel und haben eine neue Elektrospray-Methode entwickelt, mit der sich künstliche Muskeln aus nanometer-dünnen Silikonschichten herstellen lassen. Da derartige Muskeln bereits mit niedriger Spannung funktionieren, könnten sie künftig im medizinischen Bereich zur Behandlung von Inkontinenz eingesetzt werden.
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For the development of artificial muscles, the Empa scientists experimented with alternating current electrospraying

Elastische Kunststoffe, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln – so genannte elektroaktive Polymere (EAP) –, haben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: Sie reichen vom Antrieb von Scheibenwischern über Schallerzeugung bis hin zu Linsensystemen für Kameras. Derartige stufenlos fokussierbare Linsen hat beispielsweise Optotune, ein Spin-off der ETH Zürich und der Empa, bereits erfolgreich auf den Markt gebracht. Das Prinzip bleibt immer gleich: Der Kunststoff wird mit zwei Elektroden versehen, die ein elektrisches Feld erzeugen. Stehen sie unter Spannung, dehnt sich das Material aus, wird die Spannung entfernt, zieht es sich wieder zusammen. Forscher der Universität Basel und der Empa haben nun im Projekt «SmartSphincter» im Rahmen des Schweizer Forschungsprogramms Nano-Tera künstliche Muskeln zur Inkontinenzbehandlung entwickelt.

Um effektiv zu funktionieren, benötigen mikrometer-dicke Silikonlagen eine Spannung von mehreren hundert Volt; für künstliche Muskeln im menschlichen Körper ist das deutlich zu hoch. Nanometer-dünne Schichten brauchen dagegen nur wenige Volt. Da die resultierende Kraft für diese Dünnfilme klein ist, muss man tausende Lagen übereinanderschichten, um eine genügend grosse Kraft zu erzeugen.

Beschichtung per Elektrospray

Mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden liessen sich solche Sandwichstrukturen jedoch nicht fertigen. Das Team um Bert Müller vom «Biomaterials Science Center» der Universität Basel entwickelte gemeinsam mit Florian Weiss und Gabor Kovacs von der Empa-Abteilung «Mechanical Systems Engineering» ein Verfahren, das es ermöglicht, Silikonschichten anzufertigen, die deutlich dünner sind als ein Mikrometer. Ausserdem sind sie extrem glatt: Ihre Oberflächenrauheit liegt unter einem Nanometer.
Im Empa-Labor wurden Silikonmoleküle in Lösung mithilfe von Hochspannung zerstäubt; dies ist als Elektrospray-Technologie bekannt. Normalerweise funktioniert Elektrospraying mit Gleichstrom. Für die Entwicklung künstlicher Muskeln experimentieren die Empa-Wissenschaftler mit Wechselstrom. Die daraus gewonnen Schichten lassen sich tausendfach aufeinandergeschichtet zu künstlichen Muskeln verarbeiten, die bereits bei einer Spannung von lediglich 40 Volt funktionieren. Das entspricht in etwa der Spannung einer Knopfzellen-Batterie. Die Forscher hoffen, dass die Technologie bald für ein Implantat zur Behandlung von Inkontinenz eingesetzt werden kann.


Diese vergleichsweise simple und für die industrielle Fertigung bestens geeignete Methode birgt ein enormes Potenzial für die Herstellung künstlicher Muskeln, wie man sie beispielsweise für den Antrieb von Scheibenwischern einsetzen könnte. Gabor Kovacs arbeitet denn auch in einem anderen Spin-off der Empa namens «Compliant Transducer Systems» an künstlichen Muskeln, die in grosser Zahl hergestellt werden können. Kovacs‘ Ziel sind Polymer-Aktoren im low-cost-Bereich, die in Millionenstückzahl fabriziert werden können; etwa für den Einsatz in Autos, wo sie diverse Klappen, Spiegel und Lampen bewegen oder für die industrielle Automation, um Greifer, Schalter und Ventile anzutreiben.

Weitere Informationen

Dr. Gabor Kovacs
Empa, Mechanical Systems Engineering
Tel. +41 58 765 40 63

Prof. Dr. Bert Müller
Universität Basel, Biomaterials Science Center
Tel. +41 61 207 54 31

 

Redaktion / Medienkontakt

Martina Peter
Empa, Kommunikation
Tel. +41 58 765 49 97


Literaturhinweise

Electrospraying Nanometer-Thin Elastomer Films for Low-Voltage Dielectric Actuators, FM Weiss, T Töpper, B Osmani, S Peters, G Kovacs, B Müller, Adv Electr Mat (2016), doi: 10.1002/aelm.201500476
 

Thin Film Formation and Morphology of Electro-sprayed Polydimethylsiloxane, FM Weiss, T Töpper, B Osmani, H Deyhle, G Kovacs, B Müller, Langmuir (2016), doi: 10.1021/acs.langmuir.6b00476
 

Artificial Muscle Devices: Innovations and Prospects for Fecal Incontinence Treatment, E Fattorini, T Brusa, C Gingert, SE Hieber, V Leung, B Osmani, MD Dominietto, P Büchler, F Hetzer, B Müller, Annals Biomed Engin (2016), doi: 10.1007/s10439-016-1572-z


Hier geht es zur Medienmitteilung der Universität Basel.