Aktuatorik Das Hula-Hoop-Motörchen
Actuator 2010: Eine Messe für künstliche Muskeln und Mikroantriebe
© New Scale Technologies
Bei den Kameraköpfen medizinischer Endoskope ist der Squiggle-Motor schon im Einsatz
PolyPower ihr Produkt, das sie Mitte Juni in Bremen auf der Actuator 2010 vorgestellt hat. Die innovative Kunststofffolie ist ein Dielectric Electro Active Polymer (DEAP). Noch wird DEAP in Entwicklungsabteilungen getestet. Doch bald könnte es Roboter mit sensiblen Fingern ausstatten, die Beine von Menschen mit Durchblutungsstörungen massieren. Oder DEAP könnte Ventile öffnen und Pumpen antreiben.
Ein Traummaterial. Weich, flexibel, gummiartig. Wird es elektrisch geladen, dehnt es sich aus oder zieht sich zusammen. So kann das wabbelige Zeug sehr flott bis zu dem Hundertfachen seines Eigengewichts heben. »Künstliche Muskeln« nennt die dänische Danfoss-Tochter
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Muskeln, ob künstlich oder natürlich, sind, da sie verschiedene Energieformen in Bewegungsenergie umwandeln, definitionsgemäß Motoren. Und von denen brauchen wir immer mehr: Es macht »sssst«, wenn unsere Digitalkamera das Bild scharf stellt, »ssst« summt der Tintenstrahldrucker, oder »sssst« – und der Rückspiegel im Auto ist korrekt eingestellt. Immer ist ein winziger Motor am Werk; ein »Aktor« oder »Aktuator«. Die meisten Aktoren sind Elektromotoren. Sie erzeugen stets ein Rotieren, gut für Antriebe aller Art. Aber oft soll der Aktor nur eine kleine Bewegung ausführen, für die eine Art Muskel viel besser geeignet wäre. Daher steigt das Interesse an Polymer-Aktoren, neuen Antrieben aus smart materials.
PolyPower beschichtet eine Silikonfolie beidseitig hauchdünn mit Silber. Im Prinzip entsteht auf diese Weise ein elektrischer Kondensator, dessen entgegengesetzt geladene Silberschichten sich anziehen. Das Silikon dazwischen kann nicht komprimiert werden. Es weicht aus – der »Muskel« dehnt sich, anders als ein natürlicher Muskel, der nur bei Kontraktion eine Kraft ausübt. Da die DEAP-Folie von Haus aus wellig ist, reißt das Metall nicht. Maximal kann sich die Folie um fünf Prozent ausdehnen und dabei das Hundertfache ihres Eigengewichts bewegen. Mit solchen Werten käme sie sogar als Material für Landeklappen im Flugzeugbau infrage.
Dass sich Materialien beim Anlegen einer Spannung verformen, kennt man vom Piezoeffekt, auf dem viele der Kleinstmotoren basieren. Er betrifft Kristalle und technische Keramiken. In Bremen wurde das (laut Hersteller) weltweit kleinste Piezomotor-System vorgeführt. Der millimetergroße Squiggle RV Micro Motor besteht aus einem Gehäuse, in dem vier winzige Piezoelemente stecken sowie eine Gewindestange aus dem Uhrmacherzubehör. Die Piezoelemente werden so gesteuert, dass sie das Gehäuse in eine »Hula-Hoop«-Schwingung versetzen. Bei Resonanzfrequenz treibt es die Stange aus dem Gehäuse. Dabei kann sie bis zu 50 Gramm bewegen.
Der US-Hersteller New Scale Technologies arbeitet hart daran, die Aktoren so klein zu machen, dass sie in flachen Handys einen echten, mechanischen Zoom und einen Autofokus steuern können. Dabei steht der Zwerg in Konkurrenz zu herkömmlichen und preiswerten Mikro-Elektromotoren. Neben dem Preis entscheidet auch der Stromverbrauch, und der hängt stark von der Nutzung ab. Elektromotoren haben zwar einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad, doch sie brauchen keine stromfressende Steuerelektronik. Großer Vorteil der Piezozwerge dagegen: Sie sind »selbsthaltend«. Elektromotoren verbrauchen auch beim Halten einer Position Strom. Wo Stromverbrauch keine Rolle spielt, ist der Squiggle schon im Einsatz, etwa bei den Kameraköpfen medizinischer Endoskope.
Für die meisten Aktoren gilt: Man kann sie auch »verkehrt herum« betreiben; etwa einen Piezoaktor verbiegen und Strom gewinnen. In Bremen zeigten Mitarbeiter des Bremer Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Ifam) Piezosensoren, die in die Tretkurbel eines Fahrrads eingegossen sind. Beim Trampeln ist die resultierende Spannung ein Maß für den Druck, den der Radfahrer auf sein Pedal ausübt. Elektrofahrräder unterstützen den Radler somit nur dann, wenn er selbst tritt. Wer sehr fleißig ist, dem wird sehr viel geholfen.
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- Datum 20.07.2010 - 07:41 Uhr
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- Quelle DIE ZEIT, 15.07.2010 Nr. 29
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Zitat:
Großer Vorteil der Piezozwerge dagegen: Sie sind »selbsthaltend«. Elektromotoren verbrauchen auch beim Halten einer Position Strom. Wo Stromverbrauch keine Rolle spielt, ist der Squiggle schon im Einsatz, etwa bei den Kameraköpfen medizinischer Endoskope.
Zitat-Ende.
Den Zusammenhang verstehe ich nicht. Muss ich nicht die Spannung aufrecht erhalten, wenn ich einen "Piezozwerg" in seiner Position halten will? Dachte, das wäre gerade umgekehrt, Elektromotoren bräuchten keinen Strom mehr, wenn sie ihre Position erreicht haben (keine mechanische Arbeit mehr zu verrichten). Das würde auch den nächsten Satz mit dem Stromverbrauch erklären, zumal - wie vorher geschrieben - der Wirkungsgrad von Elektormotoren scheinbar schlechter ist.
Bitte um Klarstellung.
Der Artikelschreiber hat sich sehr viel Mühe gegeben, komplizierte Zusammenhänge zu verstehen und kurz und gut verständlich mitzuteilen. Das von Ihnen genannte Detail war mir auch aufgefallen, aber es ist nur dieses kleine Detail, das nicht gelungen ist. Das kann passieren und mindert IMHO nicht die Qualität des Artikels.
Hohe wissenschaftliche Erwartungen können Sie an Fachartikel stellen, aber da wird dann oft so umständlich (und lang langweilig!) geschrieben, das auch da viele Fehler nicht mehr zu entdecken sind.
Von mir jeden Falls ein dickes Lob für diesen Artikel!
Im Gegensatz zu leider vielen Artikeln von Kollegen in der "Zeit", die einfachste physikalische Begriffe wie "Arbeit und Leistung" nicht verstanden haben und trotzdem glauben, ihren Senf dazu geben zu dürfen hat mir dieser viel Spaß gemacht.
Informativ und trotzdem flüssig zu lesen!
Ohne ein Fachmann zu sein, aber mit etwas Kombinationsgabe und Physik-Schulwissen würde ich das jetzt mal anhand einer unstrittigen Aussage aus dem Artikel versuchen zu klären:
Es heißt dort:
"Dass sich Materialien beim Anlegen einer Spannung verformen, kennt man vom Piezoeffekt"...
Das heißt man benötigt eine Kraft, um ein Material zu "verformen". Damit bringt man ein Material offenkundig aus seinem Ruhezustand = energieärmster Zustand, indem man Energie aufwendet. In der Regel strebt in der Physik alles den energieärmsten Zustand an, d.h. ein Material das "nicht verformt" ist, wird sich in diesem Zustand befinden. Man benötigt also wohl eher für Piezo-Elemente Energie um die Verformung aufrecht zu halten, weil sie nicht den energieärmsten Zustand darstellt.
Beim Elektromotor wird nichts verformt, man benötigt die Energie lediglich um eine Kraft zu auszuüben, welche den Motor in Bewegung versetzt = Verrichtung von Arbeit. Sofern der Elektromotor in einem System keine Gegenkraft ausüben muss, benötigt er nach Verrichtung der Arbeit keine Energie mehr.
Damit ist gemeint ob die Motoren in ihrer Position bleiben wenn von aussen Kraft/Drehmoment einwirkt. Einen stromlosen Elektromotor kann man üblicherweise recht problemlos drehen. Bei einem Piezo- oder Ultraschallmotor liegt im stromlosen Zustand der Stator dagegen "hart" auf dem Rotor, um so einen Motor zu drehen muss also relativ viel Kraft aufbringen, und unter Umständen zerstört oder beschädigt man dabei sogar den Motor selbst.
Grob gesagt kann man sich das wie eine Scheibenbremse vorstellen. Ohne Strom sind die Bremsbacken geschlossen, wird der Motor dagegen angetrieben treiben die Bremsbacken die Scheibe an.
Von beiden Motorentypen gibt es natürlich (wie immer) Ausnahmen.
Der Artikelschreiber hat sich sehr viel Mühe gegeben, komplizierte Zusammenhänge zu verstehen und kurz und gut verständlich mitzuteilen. Das von Ihnen genannte Detail war mir auch aufgefallen, aber es ist nur dieses kleine Detail, das nicht gelungen ist. Das kann passieren und mindert IMHO nicht die Qualität des Artikels.
Hohe wissenschaftliche Erwartungen können Sie an Fachartikel stellen, aber da wird dann oft so umständlich (und lang langweilig!) geschrieben, das auch da viele Fehler nicht mehr zu entdecken sind.
Von mir jeden Falls ein dickes Lob für diesen Artikel!
Im Gegensatz zu leider vielen Artikeln von Kollegen in der "Zeit", die einfachste physikalische Begriffe wie "Arbeit und Leistung" nicht verstanden haben und trotzdem glauben, ihren Senf dazu geben zu dürfen hat mir dieser viel Spaß gemacht.
Informativ und trotzdem flüssig zu lesen!
Ohne ein Fachmann zu sein, aber mit etwas Kombinationsgabe und Physik-Schulwissen würde ich das jetzt mal anhand einer unstrittigen Aussage aus dem Artikel versuchen zu klären:
Es heißt dort:
"Dass sich Materialien beim Anlegen einer Spannung verformen, kennt man vom Piezoeffekt"...
Das heißt man benötigt eine Kraft, um ein Material zu "verformen". Damit bringt man ein Material offenkundig aus seinem Ruhezustand = energieärmster Zustand, indem man Energie aufwendet. In der Regel strebt in der Physik alles den energieärmsten Zustand an, d.h. ein Material das "nicht verformt" ist, wird sich in diesem Zustand befinden. Man benötigt also wohl eher für Piezo-Elemente Energie um die Verformung aufrecht zu halten, weil sie nicht den energieärmsten Zustand darstellt.
Beim Elektromotor wird nichts verformt, man benötigt die Energie lediglich um eine Kraft zu auszuüben, welche den Motor in Bewegung versetzt = Verrichtung von Arbeit. Sofern der Elektromotor in einem System keine Gegenkraft ausüben muss, benötigt er nach Verrichtung der Arbeit keine Energie mehr.
Damit ist gemeint ob die Motoren in ihrer Position bleiben wenn von aussen Kraft/Drehmoment einwirkt. Einen stromlosen Elektromotor kann man üblicherweise recht problemlos drehen. Bei einem Piezo- oder Ultraschallmotor liegt im stromlosen Zustand der Stator dagegen "hart" auf dem Rotor, um so einen Motor zu drehen muss also relativ viel Kraft aufbringen, und unter Umständen zerstört oder beschädigt man dabei sogar den Motor selbst.
Grob gesagt kann man sich das wie eine Scheibenbremse vorstellen. Ohne Strom sind die Bremsbacken geschlossen, wird der Motor dagegen angetrieben treiben die Bremsbacken die Scheibe an.
Von beiden Motorentypen gibt es natürlich (wie immer) Ausnahmen.
Der Artikelschreiber hat sich sehr viel Mühe gegeben, komplizierte Zusammenhänge zu verstehen und kurz und gut verständlich mitzuteilen. Das von Ihnen genannte Detail war mir auch aufgefallen, aber es ist nur dieses kleine Detail, das nicht gelungen ist. Das kann passieren und mindert IMHO nicht die Qualität des Artikels.
Hohe wissenschaftliche Erwartungen können Sie an Fachartikel stellen, aber da wird dann oft so umständlich (und lang langweilig!) geschrieben, das auch da viele Fehler nicht mehr zu entdecken sind.
Von mir jeden Falls ein dickes Lob für diesen Artikel!
Im Gegensatz zu leider vielen Artikeln von Kollegen in der "Zeit", die einfachste physikalische Begriffe wie "Arbeit und Leistung" nicht verstanden haben und trotzdem glauben, ihren Senf dazu geben zu dürfen hat mir dieser viel Spaß gemacht.
Informativ und trotzdem flüssig zu lesen!
... da stimme ich Ihnen zu, auch wenn sich meine Kommentarüberschrift "Physikschulwissen" vielleicht etwas arrogant liest. Tatsächlich weiß ich es auch zu schätzen, wenn Journalisten, die Wissenschaften nicht komplett vergessen, weil nur so Begeisterung und Interesse dafür geweckt werden kann. Am Schreiber ist deshalb nicht allzu heftig Kritik zu üben. Der Artikel war spannend und interessant.
Allerdings wäre es natürlich nicht schlecht, wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. auf inhaltliche/logische Korrektheit prüfen könnten (= Qualitätssicherung). Wobei da möglicherweise Welten aufeinander prallen würden ;-)
Aber ich bin ja auch kein Fachmann in Sachen Journalismus und es gibt bei allem Pro und Contra, insofern...
... da stimme ich Ihnen zu, auch wenn sich meine Kommentarüberschrift "Physikschulwissen" vielleicht etwas arrogant liest. Tatsächlich weiß ich es auch zu schätzen, wenn Journalisten, die Wissenschaften nicht komplett vergessen, weil nur so Begeisterung und Interesse dafür geweckt werden kann. Am Schreiber ist deshalb nicht allzu heftig Kritik zu üben. Der Artikel war spannend und interessant.
Allerdings wäre es natürlich nicht schlecht, wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. auf inhaltliche/logische Korrektheit prüfen könnten (= Qualitätssicherung). Wobei da möglicherweise Welten aufeinander prallen würden ;-)
Aber ich bin ja auch kein Fachmann in Sachen Journalismus und es gibt bei allem Pro und Contra, insofern...
Ohne ein Fachmann zu sein, aber mit etwas Kombinationsgabe und Physik-Schulwissen würde ich das jetzt mal anhand einer unstrittigen Aussage aus dem Artikel versuchen zu klären:
Es heißt dort:
"Dass sich Materialien beim Anlegen einer Spannung verformen, kennt man vom Piezoeffekt"...
Das heißt man benötigt eine Kraft, um ein Material zu "verformen". Damit bringt man ein Material offenkundig aus seinem Ruhezustand = energieärmster Zustand, indem man Energie aufwendet. In der Regel strebt in der Physik alles den energieärmsten Zustand an, d.h. ein Material das "nicht verformt" ist, wird sich in diesem Zustand befinden. Man benötigt also wohl eher für Piezo-Elemente Energie um die Verformung aufrecht zu halten, weil sie nicht den energieärmsten Zustand darstellt.
Beim Elektromotor wird nichts verformt, man benötigt die Energie lediglich um eine Kraft zu auszuüben, welche den Motor in Bewegung versetzt = Verrichtung von Arbeit. Sofern der Elektromotor in einem System keine Gegenkraft ausüben muss, benötigt er nach Verrichtung der Arbeit keine Energie mehr.
Ich bedanke mich für die Klarstellung, olo und lef; ich habe auch nicht gefragt, um Autor oder Inhalt irgendwie zu kritisieren, sondern weil ich mir plötzlich unsicher war, ob ich alles noch richtig verstanden habe. Manchmal geht es zumindest mir so, dass ich in eine gedankliche Sackgasse gerate; da mache ich mich lieber lächerlich und stelle die Frage.
... da stimme ich Ihnen zu, auch wenn sich meine Kommentarüberschrift "Physikschulwissen" vielleicht etwas arrogant liest. Tatsächlich weiß ich es auch zu schätzen, wenn Journalisten, die Wissenschaften nicht komplett vergessen, weil nur so Begeisterung und Interesse dafür geweckt werden kann. Am Schreiber ist deshalb nicht allzu heftig Kritik zu üben. Der Artikel war spannend und interessant.
Allerdings wäre es natürlich nicht schlecht, wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. auf inhaltliche/logische Korrektheit prüfen könnten (= Qualitätssicherung). Wobei da möglicherweise Welten aufeinander prallen würden ;-)
Aber ich bin ja auch kein Fachmann in Sachen Journalismus und es gibt bei allem Pro und Contra, insofern...
"...wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. ..."
Es heißt "zu Fachleuten".
"...wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. ..."
Es heißt "zu Fachleuten".
Damit ist gemeint ob die Motoren in ihrer Position bleiben wenn von aussen Kraft/Drehmoment einwirkt. Einen stromlosen Elektromotor kann man üblicherweise recht problemlos drehen. Bei einem Piezo- oder Ultraschallmotor liegt im stromlosen Zustand der Stator dagegen "hart" auf dem Rotor, um so einen Motor zu drehen muss also relativ viel Kraft aufbringen, und unter Umständen zerstört oder beschädigt man dabei sogar den Motor selbst.
Grob gesagt kann man sich das wie eine Scheibenbremse vorstellen. Ohne Strom sind die Bremsbacken geschlossen, wird der Motor dagegen angetrieben treiben die Bremsbacken die Scheibe an.
Von beiden Motorentypen gibt es natürlich (wie immer) Ausnahmen.
Ui, mein Lieblingswort! Mein Professor wär mir an die Gurgel gesprungen wenn ich in meiner Bachelorarbeit von "Aktuatorik" oder "Aktuator" gesprochen hätte.
Der Lehrstuhl an unserer Uni heißt "Lehrstuhl für Aktorik" (http://www.imtek.de/mikro...) (Actuators im Englischen.)
Auf auf der Website der Actuator 10 lese ich "Anwendungen in der Aktorik" (http://www.actuator.de/te...)
Hat einer nen Duden rumstehen? Oder kann das jemand sprachwissenschaftlich aufdröseln wo das zusätzliche "tua" herkommt? Würde mich mal interessieren was jetzt richtig ist :)
"...wenn das Wissens-Resort der Zeit evtl. Kontakte zu Fachmännern pflegte, die naturwissenschaftliche Artikel ggf. ..."
Es heißt "zu Fachleuten".
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