Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Soft hydrogel-based dielectric elastomer transducers / submitted by DI Robert Pichler
AutorInnenPichler, Robert
Beurteiler / BeurteilerinKaltenbrunner, Martin ; Hild, Sabine
Betreuer / BetreuerinKaltenbrunner, Martin
ErschienenLinz, 2018
Umfangxii, 187 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2018
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Dielektrischer Elastomer-Aktor / Hydrogel / Elektrode / Katheter
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-21709 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Soft hydrogel-based dielectric elastomer transducers [69.27 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

Dielectric elastomer transducers are in essence deformable elastic capacitors. Coating an electrically insulating elastomer foil on both sides with stretchable electrodes forms such a stretchable capacitor. Dielectric elastomer transducers are capable of converting electrical into mechanical energy and vice versa. Applying a voltage to the electrodes deforms the soft dielectric elastomer - the transducer operates as actuator. At the reverse mode operation, charges are applied to the electrodes and external forces deform the elastomer foil. The elastomer deformation changes the electrical energy of the charges. Being based on soft polymeric materials assembled in a simple arrangement, dielectric elastomer transducers feature a high specific energy density, are light-weight and potentially low-cost. I combined the polymeric dielectric elastomer with soft ionically conductive hydrogel electrodes via a novel cyanoacrylate-based instant bonding technique. The low Young's modulus, the excellent transparency and the high stretchability of the hydrogel electrodes facilitate new designs for dielectric elastomer based adaptive optic elements. Here I report on a novel focus tunable lens with instantly bonded ionic hydrogel electrodes. The high optical transparency of both the hydrogel and the bonding interface enable placing the electrodes in the optical path. Our adaptive lens is capable of changing the focal length by 110% and operating at frequencies up to 10 Hz. Due to their potential small size and short response time, such variable optical systems based on transparent deformable materials are in demand where space is narrow, e.g., in mobile phones and endoscopes. Beyond the development of focus adaptive lenses, the instantly bonded hydrogel electrodes developed during my doctoral research study are readily applicable for dielectric elastomer generators (DEGs). Our proof-of-concept DEG with soft hydrogel electrodes converts 497 mJ mechanical input energy into 54 mJ electrical output energy per cycle. Small-scale energy harvesting devices are desired as power sources for portable consumer electronics like mobile phones, or untethered sensor nodes, whereas large-scale energy harvesting systems are promising for ocean wave energy harvesting. DEGs typically require an input bias voltage for their energy conversion process. I developed a DEG-inspired design for an electrostatic energy converter (EEC) capable of operating without bias voltage supply. The electret-biased EEC, being designed to work at low frequencies with little mechanical input energy, facilitates a remarkably high mechanical-to-electrical energy conversion efficiency of about 60%. In addition, this thesis discusses my work on developing a novel hybrid, low-cost simulator for enhancing the training of epidural needle insertion procedures. The patient phantom of the hybrid simulator combines realistic force feedback imitating the haptics of soft biological tissue with electronic sensing of the needle tip position via soft deformable electrodes. The real-time position information is expected to serve as guide for efficient training.

Zusammenfassung (Deutsch)

Dielektrische Elastomerwandler sind im Wesentlichen elastisch deformierbare Kondensatoren. Solche dehnbaren Kondensatoren bestehen aus einer Elastomerfolie, welche auf beiden Seiten mit dehnbaren Elektroden beschichtet ist. Dieser simple Aufbau ermöglicht es, elektrische in mechanische Energie und vice versa umzusetzen. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden wird das Elastomer elektrisch deformiert, der Wandler arbeitet als Aktuator. Werden Ladungen von einer externen Quelle auf die Elektroden aufgebracht und der geladene Kondensator von externen Kräften mechanisch deformiert, so ändert sich das Potential und die elektrische Energie der Ladungen. Der Wandler arbeitet als in diesem Fall als Generator oder Sensor. Dielektrische Elastomerwandler basieren auf weichen elastischen Polymeren und bieten damit im Vergleich zu parallelen Technologien charakteristische Merkmale wie geringes Gewicht, hohe spezifische Energiedichte und Kostengünstigkeit der verwendeten Materialien. Im Rahmen dieser Dissertation kombinierten wir mithilfe einer neu entwickelten cyanacrylatbasierten Klebetechnik dielektrische Elastomere mit weichen ionisch leitfähigen Hydrogelelektroden. Dabei bietet der geringe Elastizitätsmodul, die hohe Transparenz und die hervorragende Dehnbarkeit der Hydrogele Vorteile gegenüber anderen dehnbaren leitfähigen Materialien. Bei der Verwendung als Elektroden ermöglichen diese Vorteile neue Konfigurationen für adaptive optische Elemente. Als Demonstration der neuen Klebetechnik wird eine weiche optische Linse mit verklebten Hydrogelelektroden und veränderlicher Brennweite vorgestellt. Die elektrische Aktuation der Linse erlaubt es, die Brennweite um 110% zu variieren bei Aktuationsfrequenzen von bis zu 10 Hz. Aufgrund der kurzen Fokus-Adaptionszeit und der potenziell kompakten Baugröße sind weiche optische Linsen interessant für Anwendungen mit begrenzten Platzverhältnissen, beispielsweise in Endoskopen oder Smartphones. Die hohe Dehnbarkeit der Hydrogelelektroden fördert deren Anwendung auch in dielektrischen Elastomergeneratoren. Der hier vorgestellte Generatorprototyp wandelt pro Zyklus 497 mJ mechanische Eingangsenergie in 54 mJ nutzbare elektrische Ausgangsenergie um. Dielektrische Elastomergeneratoren sind eine vielversprechende Option für die Erschließung von Quellen mechanischer Energie in den verschiedensten Leistungsbereichen. Weiche Generatoren mit elektrischen Leistungen im Watt-Bereich könnten mobile Geräte mit Energie versorgen, wohingegen Generatoren mit deutlich größeren Leistungen für die Umwandlung von Energie aus erneuerbaren Quellen, im Speziellen Wellenenergie, geeignet sind. Zur Umwandlung mechanischer Energie aus Quellen geringer Energiedichte wird in dieser Arbeit ein weiterer elektrostatischer Energiewandler präsentiert. Der kapazitive elektretbasierte Wandler benötigt keine Vorspannung und setzt 332 J mechanische Eingangsenergie mit einer Effizienz von etwa 60% in 206 J elektrische Ausgangsenergie um. Neben meiner Arbeit an dielektrischen Elastomerwandlern, wurde im Zuge dieser Dissertation ein neuartiger medizinischer Operationssimulator zum Erlernen des Einbringens eines Epiduralkatheters entwickelt. Die Verwendung weicher Elastomerstrukturen verleiht dem Phantomkörper des Simulators eine realistische gewebeähnliche Haptik. Zusätzlich eingebettete deformierbare Elektroden angepasster Festigkeit ermöglichen es, in Echtzeit die Einstichtiefe der Nadel festzustellen. Diese Tiefeninformation könnte in Zukunft zu Verbesserung des Simulatortrainings beitragen.

Statistik
Das PDF-Dokument wurde 15 mal heruntergeladen.