Bioinspirierte Bauteile für autonome Krafterzeugung und Bewegungen

• Antragsteller: Professor Dr. Ingo Burgert; Professor Dr. Christoph Neinhuis; Dr. Klaus Tauer
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 127651422

Das Hauptziel der dritten Projektphase ist die Herstellung biomimetischer Demonstratoren und Bauteile zur Erzeugung großer Kräfte und Verformungen. Sie sollen autonom auf äußere Stimuli reagieren und sich an die biologischen Vorbilder der Mittagsblumenkapseln und des Papayabastes anlehnen. Das auf Bastfasern basierende System wird durch quellbare Hydrogele bewegt, die in die einzelnen Zellen einer Wabenstruktur gefüllt werden. Die Wabenstruktur wird auf zwei verschiedene Weisen erzeugt. Zum einen durch Gießen eines Polymers in eine Form, was ein relativ schnelles und einfaches Verfahren darstellt, aber den Nachteil hat, dass die Polymere bei höheren Kräften durch Quellung des Aktuators versagen können. Die zweite Möglichkeit basiert auf Glas- oder Kohlefaserprepregs, die relativ hohe Kräfte aufnehmen können. Hier stellen allerdings die Kontaktpunkte die Herausforderung dar, um die Separation einzelner Lagen bei der Quellung des Aktuators zu verhindern. Demonstratoren, die auf den Mittagsblumenkapseln als Vorbild beruhen, werden durch hierarchisch strukturierte, hydro-responsive Bilayer realisiert, die durch differenzielles Quellen auf der Nanoebene eine makroskopische Bewegung erzeugen. Dieser experimentelle Ansatz zur Maximierung von Krafterzeugung und gerichteter Bewegung wird durch einen Modellierungsansatz ergänzt, der es erlaubt systematisch das optimale hierarchische Designe verschiedener Systeme zu bestimmen oder vorherzusagen. Dabei ist die Funktionalität nicht nur von einer bestimmten Geometrie des künstlichen Zellverbandes abhängig. Eine dauerhafte und durch hohe Wiederholraten gekennzeichnete Funktionalität des Aktuators benötigt eine kovalente Anbindung zwischen dem Polymer der Zellwände und dem Hydrogel. Dieser Ansatz benötigt eine spezifische Polymersynthese und kann nicht mit kommerziell verfügbaren Polymeren erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Internationaler Bezug: Schweiz