Technologie

VR-Handschuh aus dem 3D-Drucker

10.11.2022 - Elektroaktive Polymere als Basis für künstliche Muskeln.

Gemeinsam mit Experten der Hochschulen in Lausanne und Zürich forscht ein Team der Empa an der nächsten Generation eines VR-Handschuhs, mit dem virtuelle Welten im Metaverse greifbar werden. Der Handschuh soll auf den Benutzer maß­geschneidert sein und weitgehend automatisch produziert werden können – im 3D-Druck­verfahren. Dorina Opris und Patrick Danner sind mit ihrer Forschung an elektroaktiven Polymeren Teil des Projekts Manu­fhaptics. Das Ziel des vierjährigen Projekts unter Leitung von Herbert Shea vom „Soft Trans­ducers Lab“ der EPFL ist ein Handschuh, der virtuelle Welten greifbar macht. Entscheidend dabei: Alle Bauteile des Handschuhs, die verschiedene Kräfte auf die Handoberfläche ausüben, sollen im 3D-Drucker herstellbar sein. Hier geht es also um die Erforschung neuer Materialien, bei denen die Produktions­methode von vorne herein mitgedacht wird.

Damit sich virtuelle Oberflächen echt anfühlen und die Objekte auch in der richtigen Größe greifbar werden, wollen die Forschenden drei verschiedene Arten von Aktuatoren in den Handschuh integrieren: Auf der Unterseite der Finger können Noppen empor­wachsen, die eine bestimmte Textur einer Oberfläche nachbilden. Im Bereich der Fingergelenke werden elektro­statische Bremsen montiert, die den Handschuh versteifen und die Gelenke blockieren. Das simuliert größere, feste Objekte, die beim Anfassen Widerstand bieten. Die dritte Art von Aktuatoren, die das virtuelle Erlebnis vervollständigen, nennen sich DEA, kurz für dielek­trische elastische Aktua­toren. Diese DEA werden auf dem Handrücken eingesetzt; sie raffen die Außenhaut des Handschuhs soweit zusammen, dass er an allen Stellen optimal anliegt. Während des VR-Erleb­nisses können sie außerdem Druck auf die Hand­oberfläche ausüben. 

Dorina Opris hat jahrelang Erfahrung mit solchen elektroaktiven Polymeren gesammelt. „Diese elastischen Polymere reagieren auf elektrische Felder und ziehen sich zusammen wir ein Muskel“, erläutert die Forscherin. „Aber sie können auch als Sensor dienen, eine äußere Kraft aufnehmen und daraus einen elektrischen Impuls erzeugen. Wir denken auch daran, sie zur lokalen Energie­erzeugung einzusetzen: Aus Bewegung kann so überall Strom entstehen.“ Das Manuf­haptics-Projekt stellt die Forscherin und ihren Kollegen Patrick Danner vor neue Heraus­forderungen. „Bislang haben wir unsere Polymere mit Hilfe von Lösungsmitteln auf dem Weg einer chemischen Synthese hergestellt“, erläutert Opris. Nun muss alles ohne Lösungs­mittel funktionieren: Geplant ist, bis zu 1000 feine Schichten aus dem 3D-Drucker übereinander­zulegen, immer abwechselnd das elektroaktive Polymer und eine stromleitende Schicht.

„Lösungsmittel gilt es zu vermeiden bei solch einer Produktions­methode“, sagt Opris. Und Patrick Danner erläutert die nächste Schwierigkeit: Die zwei verschiedenen Tinten, die dafür nötig sind, müssen die genau passende Konsistenz haben, um aus der Düse des 3D-Druckers zu fließen. „Unser Projekt­partner Jan Vermant von der ETH Zürich wünscht sich etwas mit ähnlichen Eigenschaften wie eine Handcreme. Es soll leicht aus dem Drucker kommen, und dann formstabil auf der Unterlage stehen bleiben.“ Und danach muss sich dieses cremige Schicht­struktur noch zum passenden Polymer vernetzen.

Nach einer langen Reihe von Versuchen hat Danner eine vielversprechende Formulierung gefunden – eine Creme, die flüssig genug ist und zugleich formstabil, und aus der in einem einzigen Schritt elektro­aktive Polymere entstehen können. Sein Kollege Tazio Pleji an der ETH Zürich hat das Material erfolg­reich in seinem 3D-Drucker zu mehreren Schichten verarbeitet – immer abwechselnd Polymer und Elektroden­material. Noch sind es keine 1000 Schichten, sondern nur etwa zehn. Und noch funktioniert der künstliche Muskel aus dem 3D-Drucker nicht zufriedenstellend. 

Doch Opris und Danner sind zuver­sichtlich, die Aufgabe gemeinsam mit den Druckspezialisten der ETH Zürich zu meistern – als möglicher­weise erstes Forscherteam der Welt. Die einzigen wissen­schaftlichen Konkurrenten auf diesem Gebiet sitzen an der Harvard University in Massa­chusetts. „Ich kenne die Kollegen dort von einigen Kongressen“, sagt Dorina Opris. „Wir beobachten sehr genau, was die machen. Und die beobachten unsere Arbeit mit Sicherheit auch.“

Empa / JOL

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