26.10.2011 – Kategorie: Hardware & IT, Technik

Sensorik: Transparent und dehnbarer als Haut

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Mit gebogenen Kohlenstoffnanoröhren, die wie Federn fungieren, haben die Wissenschaftler der Stanford University einen äußerst dehnbaren, transparenten, hautähnlichen Sensor entwickelt. Er lässt sich auf mehr als das Zweifache der ursprünglichen Länge dehnen, und wenn man ihn loslässt, nimmt er wieder vollständig die Ausgangsform an. Der Sensor erspürt Druck von einem festen Kniff von Daumen und Zeigefinger bis hin zu tausenden Pfund. Er könnte in der Prothetik, in der Robotik und bei drucksensitiven Rechnerdisplays Anwendung finden.


Die im Vergleich zur menschlichen Haut beneidenswerte Elastizität ist nur eines von mehreren neuen Features, die der von Professorin Zhenan Bao, Associate Professor of Chemical Engineering, entwickelte Drucksensor vorweisen kann. Der Sensor verwendet einen transparenten Film von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, die wie winzige Federn agieren. Das ermöglicht es dem Sensor, die Kraft, die auf ihn einwirkt, akkurat zu messen, egal, ob er gedehnt oder gestaucht wird.


Der Sensor ist in alle Richtungen dehnbar und kehrt wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn die Nanoröhren auf das Silikon aufgesprüht werden, tendieren sie dazu, zufällig ausgerichtete kleine Klumpen zu bilden. Wenn das Silikon gedehnt wird, orientieren sich einige der Nano-Röhrenbündel in die Richtung der Dehnung. Beim Loslassen nimmt das Silikon wieder die ursprünglichen Abmessungen an, aber die Nanoröhren werfen Falten und bilden Nanostrukturen aus, die Federn ähnlich sind.


Wenn man das mit den Nanoröhren versehene Silikon ein zweites Mal im rechten Winkel zur ersten Dehnung reckt, bringt das einige der anderen Nanoröhren-Bündel dazu, sich in der zweiten Richtung zu orientieren. Dies macht den Sensor vollständig in alle Richtungen dehnbar, mit der vollständigen Wiederherstellung der Ausgangsform.


Wiederholtes Dehnen mit einer geringeren Länge verändert zudem nicht die elektrische Leitfähigkeit. Dieselbe Leitfähigkeit im gedehnten und im ungedehnten Zustand ist wichtig, weil die Sensoren die auf sie einwirkende Kraft durch die federnartigen Nanostrukturen, die als Elektroden dienen, erfassen und messen.


Die Sensoren bestehen aus zwei Schichten des mit Nanoröhren überzogenen Silikons, so dass die Beschichtungen sich gegenüberstehen, mit einer Schicht leichter deformierbaren Silikons dazwischen.


Die mittlere Schicht Silikon speichert die elektrische Ladung, ähnlich einer Batterie. Wenn Druck auf den Sensor ausgeübt wird, dann wird die mittlere Schicht komprimiert, was die gespeicherte elektrische Ladung beeinflusst. Diese Veränderung wird von den zwei Filmen von Nanoröhren erfasst, die wie Plus- und Minuspol an einer typischen Auto- oder Taschenlampenbatterie agieren. Das ermöglicht dem Sensor zu übermitteln, was er erspürt.


Ob nun der Sensor zusammengestaucht oder gedehnt wird, die beiden Nanofilme kommen näher zusammen, was es schwierig zu machen scheint, zu erfassen, um welche Art der Deformation es eigentlich handelt. Das sollte jedoch durch das Muster der Deformation zu erkennen sein. So zeige ein ausgeübter Druck die größte Deformation im Zentrum, die konzentrisch nach außen abnehme, während ein Kniff zum Beispiel mit Finger und Daumen die größte Deformation in Form einer Linie zwischen den beiden Greifinstrumenten aufweise.


Die Forschergruppe um Bao hat erst kürzlich einen Sensor geschaffen, der so empfindlich ist, dass er einen Druck einer nur 20 Milligramm schweren Fliegenleiche erspürt. Der neueste Sensor ist nicht ganz so empfindlich, weil hier das Hauptaugenmerk der Dehnbarkeit und Transparenz galt.


 


Bild: Chemical Engineering Postdoctoral Fellow Darren Lipomi demonstriert die dehnbare, künstliche Haut im Labor. Bild: Steve Fyffe.


 


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