Modellgestützte Entwicklung dielektrischer Elastomer-Aktoren: Simulation, Aufbau und Validierung intelligenter Antriebslösungen

Abstract

Diese Dissertationsschrift untersucht zwei unterschiedliche Ansätze zur Weiterentwicklung dielektrischer Elastomer-Aktoren (DE-Aktoren) mit dem Ziel, deren Einsatz in realen Anwendungen zu ermöglichen. Im ersten Ansatz wird ein neuartiges Softrobotik-System vorgestellt, das auf einer bistabilen Mechanik basiert und mehrdimensionale, steuerbare Bewegungen erlaubt. Die entwickelte Struktur wurde modellbasiert ausgelegt und experimentell validiert. Der zweite Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung einer energieeffizienten, dynamisch angetriebenen Pumpe auf DE-Basis. Der hierfür konzipierte Prototyp erreicht Leistungswerte, die mit konventionellen Technologien vergleichbar sind, und integriert erstmals eine kompakte Elektronik mit Self-Sensing-Funktion zur autonomen Anpassung der Ansteuerfrequenz an den aktuellen Lastdruck. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Konzepte wesentliche Fortschritte von der Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsnahen Demonstratoren darstellen. Sie legen damit den Grundstein für die zukünftige Integration von DE-Aktoren in funktionale Softrobotik- und Fluidsysteme, die herkömmliche Antriebstechnologien ergänzen oder ersetzen können.

This work presents two distinct approaches for advancing dielectric elastomer actuators (DEAs) toward real-world applications. The first focuses on a novel soft robotic system based on a bistable actuator design that enables multidimensional, controllable motion. The structure was developed using a model-based design process and experimentally validated. The second approach centers on the development of an energy-efficient, dynamically driven DEA-based pump. The prototype achieves performance levels comparable to conventional technologies and includes, for the first time, a compact electronics unit featuring self-sensing functionality. This enables autonomous adjustment of the driving frequency in response to the current load pressure. The results demonstrate that both systems represent significant progress, ranging from innovative concepts in fundamental research to application-oriented demonstrators. These developments lay the foundation for the future integration of DEAs into soft robotic and fluidic systems, offering the potential to complement or replace conventional actuation technologies.