Das gewünschte elektroaktive Polymer soll eine Konsistenz ähnlich einer Handcreme haben, damit die künstlichen Muskeln automatisiert im 3D-Drucker gefertigt werden können. (Bild: Empa)

Millimeter-grosse, hydraulisch verstärkte elektrostatische Aktoren sorgen für ein Gefühl von Berührung und Textur (links). Elektrostatische Kupplungsaktoren mit hoher Kraft, die die Fingergelenke blockieren können, damit sich virtuelle Objekte fest anfühlen (Mitte). Mehrschichtiger Dielectric-Elastomer-Actuator für aktive Größenanpassung des Handschuhs und lokale Kompression (rechts). (Illustration: Herbert Shea, EPFL (2021))

Der VR-Handschuh aus dem 3D-Drucker

Publiziert

Gemeinsam mit Experten der EPFL und der ETH 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.

Manchmal fallen neu entwickelte Materialien auch einem Funktionstest zum Opfer. Forscher Patrick Danner hat gerade so etwas erlebt - und dabei auch noch gefilmt. "Als ich gut 2000 Volt an die Probe angelegt habe, ist sie in Brand geraten", berichtet er trocken. Das Malheur ist in seinem Handyvideo deutlich zu sehen: Erst raucht es, dann schlagen Flammen aus dem experimentell erzeugten Kunststoff. "Du hast hoffentlich noch ein Stück davon retten können", entgegnet Dorina Opris, Leiterin der Forschungsgruppe "Functional Polymeric Materials". Ein Beweisstück ist wichtig, um aus dem Ergebnis zu lernen und Schlüsse zu ziehen.

VR wird greifbar
Opris und Danner sind mit ihrer Forschung an elektroaktiven Polymeren Teil eines Grossprojekts namens "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.

Einsatz von Aktuatoren
Damit sich virtuelle Oberflächen echt anfühlen und die Objekte auch in der richtigen Grösse greifbar werden, wollen die Forscherteams von EPFL, ETH Zürich und Empa 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. DEA sind das Teilprojekt der Empa.

Elektroaktive Polymere
Dorina Opris, die Leiterin der Forschungsgruppe, 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, ein Mitarbeiter in Jan Vermants Forscherteam, 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 10. Und noch funktioniert der "künstliche Muskel" aus dem 3D-Drucker nicht zufriedenstellend.

Die Konkurrenz sitzt in Harvard
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."

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