An der Empa werden ganz verschiedene Materialien erforscht, manche davon mit überraschenden Eigenschaften. So gibt es Elastomere, die auf Strom reagieren und sich je nach angelegter Spannung zusammenziehen oder ausdehnen. «Was könnte man mit so etwas anfangen?», fragten sich ein paar Forschende vor zwei Jahrzehnten. Heute ist das Resultat fast marktreif – und könnte elektronische Bedienelemente revolutionieren.

Die von Gabor Kovacs (li.) entwickelten Aktuatoren könnten den Sprung in die grossindustrielle Anwendung schaffen. Dorina Opris hat die Polymerfolien auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten. (Fotos: Basil Stüechli/ETH-Rat)

Etwas muss in Bewegung versetzt werden? Die Natur setzt auf Muskeln, die Technik auf Motoren, die Natur verformt, die Technik dreht und schraubt. Das könnte sich bald ändern, denn Forschende der Empa sind dabei, günstige und in Massen verfügbare so-genannte Aktuatoren zur Marktreife zu bringen. Diese basieren auf einer im Grunde simplen, aber ziemlich geheimnisvollen Technologie: Die elektrischen Elastomere gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere und sind Materialien, die sich bei Anlegung von elektrischer Spannung verformen. Warum sie das machen, ist auf der molekularen Ebene immer noch Forschungsgegenstand. In den letzten 20 Jahren hat man immerhin gelernt, diese Materialien so zu «zügeln», dass die Verformung sehr gezielt und fein manipulierbar vonstattengeht. «Es ist gar nicht so einfach, eine lineare Bewegung zu erzeugen», sagt Pierangelo Gröning, Direktionsmitglied und Leiter des Departements «Moderne Materialien und Oberflächen». Aber über die Jahre hat man sich dem Ziel kontinuierlich angenähert und dank Empa-Know-how erst noch bei vergleichsweise tiefen Spannungen. So könnten die von Gabor Kovacs entwickelten Aktuatoren den Sprung vom Forschungslabor in die grossindustrielle Anwendung schaffen.

In der Hand wirken die Testaktuatoren wie ein weicher Stapel Kunststoff, bestehend aus vielen dünnen Plättchen. Es sieht unspektakulär aus, doch in dem gut zehn Zentimeter hohen Stapel steckt viel Forschungsarbeit. 2000 startete an der Empa ein Forschungsprogramm mit dem Ziel, mechanische Strukturen durch elektrische Signale zu verformen, erinnert sich Kovacs. Die damals bekannten Materialien waren allerdings kaum für konkrete Anwendungen zu gebrauchen. Sie leisteten zu wenig und waren zu teuer. Weil man aber fest an das Potenzial der Technologie glaubte, entschloss man sich zur Flucht nach vorn und gründete die Abteilung Funktionale Polymere, um diese Materialien selber zu entwickeln. Das mache Aktuatoren zu einem «klassischen Empa-Fall», sagt Gröning, da sie ihren Ursprung in der Materialforschung hätten. Dass dann «in dieser Konsequenz in zwei verschiedenen Labors» an der Idee weitergearbeitet werde, mache die Empa aus. Zur Ingenieursherausforderung kam die Optimierung des Materials.

«Elektroaktive Polymere könnten elektronische Bedienelemente revolutionieren.» Pierangelo Gröning, Direktionsmitglied und Leiter des Departements «Moderne Materialien und Oberflächen»

Bei der Entwicklung von geeigneteren und auf die spezifischen Bedürfnisse zugeschnittenen Polymerfolien kommt Dorina Opris ins Spiel. Dank ihrem Know-how schaffte man den Durchbruch. Sie modifiziert die Elastomere, aus denen die Folien bestehen, mit Dipolen, was sie «sensibler» macht. Nach der Modifizierung verformen sie sich bereits bei viel tieferen Spannungen. Zudem hat sie die Folien für das spezielle Fabrikationsverfahren «fit» gemacht, bei dem sie wie in einem 3D-Drucker aufeinander aufgetragen werden. Auch dieses sogenannte «Nassstapelverfahren» macht die Empa-Technologie einzigartig – die Automatisierung ist dabei schon mitgedacht

Im Forschungslabor von Kovacs stehen zwei Fabrikationsroboter. Eine Maschine druckt feinste Folienschichten inklusive dehnbarer Elektroden, eine auf die andere, sodass langsam ein etwa 0,5 Millimeter dickes Kunststoffplättchen wächst. Dieses wird dann in der anderen Maschine kleingeschnitten und zu sogenannten Stacks gestapelt. Sobald elektrische Spannung angelegt wird, verformt sich jede einzelne Folie um ein Geringes und ändert damit auch ihre Dicke. Bei einer einzelnen Schicht würde man vom Resultat kaum etwas merken, aber in so einem Stack stecken mehr als 1000 Folienschichten. Damit multipliziert sich auch der Effekt und die Aktuatoren erreichen Bewegungen von Millimetern bis Zentimetern, die sogar mit dem blossen Auge zu sehen sind. Die Bewegung ist komplett geräuschlos, die Aktuatoren sind kompakt und leicht. Und zuverlässig. Die «künstlichen Muskeln» führen ihre Bewegung Tausende und Millionen Male aus, ohne zu klagen. Zudem lässt sich das Prinzip auch umkehren: Ändern die Folien auf Druck ihre Dicke, zeigt sich das als elektrisches Signal.

Eine Maschine druckt feinste Folienschichten inklusive dehnbarer Elektroden, eine auf die andere, sodass langsam ein etwa 0,5 Millimeter dickes Kunststoffplättchen wächst. Dieses wird dann in der anderen Maschine kleingeschnitten und zu sogenannten Stacks gestapelt.

Anwendungen sieht Kovacs einerseits im menschlichen Körper als «Hilfsmuskeln». Aber grosses Potenzial sieht er auch in der Konsumgüterindustrie. Die Mensch-Maschine-Interaktion könnte durch Aktuatoren komplett umgekrempelt werden. Man stelle sich vor, eine flache Bedienoberfläche reagiert nicht visuell, sondern taktil. Knöpfe entstehen je nach Bedarf, ein Relief verändert sich ständig. Das interessiert zum Beispiel die Autoindustrie. «In zehn Jahren werden Morphing Cockpits serienmässig in Autos eingebaut sein», prophezeit Kovacs. Die Firma CTsystems, die aus seiner beharrlichen Forschungsarbeit entstanden ist, wird dies umsetzen und auf den Markt bringen.