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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
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Terminator 3 – Rebellion der Terminator 3 – Rebellion der MaschinenMaschinen
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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.
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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?
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……bis zur Gegenwartbis zur Gegenwart
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……eine elegantere Lösung…eine elegantere Lösung…
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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!
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Das Röntgen ExperimentDas Röntgen Experiment
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
CoulombkraftCoulombkraft
1 22
0
1
4 r
Q QF e
r
Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)Inkompressibilität (Volumen bleibt konstant)
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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:
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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
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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
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
Gummi
dehnbare Elektroden
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
z0
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit Funktionsprinzip von Elastomer Aktoren mit dehnbaren Elektrodendehnbaren Elektroden
z
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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“
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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
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Was uns bis jetzt gelungen ist…Was uns bis jetzt gelungen ist…
32 2
32 21
32 2 1
1
2 23 32 2 2
31 12 2 2
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ln 12
1
1 11ln 1 ln 1
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F N k T
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1 2 1 2 4 31 4I III II rp rs
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Elektrische Analyse und Steuerung
Mathematische Modellierung
Designparameter für Materialwissenschaftler und Industrie zur
Optimierung der Elastomer Aktoren
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Die Formeln werden zum Leben erweckt…Die Formeln werden zum Leben erweckt……eine einfache Anwendung:…eine einfache Anwendung:
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
……die Spaß macht!die Spaß macht!
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Christoph Keplinger Martin Kaltenbrunner
Danke…Danke…
……an meine an meine Kollegen…Kollegen…
……und für eure und für eure Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!
- team: