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Beschreibung
Energy-Harvesting direkt am menschlichen Körper stellt einen aktuellen Forschungstrend zur Energieversorgung von Personen getragener, textiler Smart-Materials oder Wearables dar. Als Energiequelle kann hierfür unter anderem vom Körper durch aktive oder passive Bewegungen erzeugte mechanische Energie genutzt werden.
Zur Verwendung als flexibles Harvesting-Material besitzen Dielektrische Elastomere (DE) ein hohes Potential. Ihr Aufbau ähnelt dem eines flexiblen Plattenkondensators mit hochflexiblen Elektroden und einem dazwischen befindlichen dünnen, isolierenden Polymerfilm. Durch Aufbringen einer externen mechanischen Beanspruchung kann eine Dickenreduktion erzeugt werden, welche zu einer Annäherung der beiden flächigen Elektroden und, aufgrund der Inkompressibilität, zu einer Ausdehnung in der Elektrodenebene führt. Diese Geometrieänderung führt weiterhin zu einer Kapazitätsänderung, welche in einer nutzbaren Spannung resultiert. Vorteile von DE liegen vor allem in ihrem geringen Gewicht, den geringen Herstellungskosten, der Energieeffizienz und ihrer hohen Anpassbarkeit, unter anderem auch in Hinblick auf medizintechnische Anwendungen.
Abbildung 1: Funktionsprinzip der dielektrischen Elastomergeneratoren; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
Abbildung 2: Stand der Technik: Nutzung von DEG in Wellenkraftwerken; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
Flexible, DE-basierte Harvesting-Systeme sind als Forschungsansatz für technische Anwendungen, wie beispielsweise Wellenkraftwerke, bereits beschrieben. Die Nutzung zum Harvesting direkt am menschlichen Körper bietet jedoch trotz des großen Potentials noch Forschungsbedarf. Ziel des hier beschriebenen Projektvorhabens ist die Entwicklung, Fertigung und Qualifizierung flexibler DE-Patches für das Energy-Harvesting an der Körperoberfläche aus Bewegungsenergie. Dies kann entweder durch direktes Aufbringen auf die Hautoberfläche oder das Einbringen in körpernah getragene Textilien erfolgen. Weiterhin ist die Durchführung einer Studie zur Quantifizierung der umsetzbaren Energiemengen aus verschiedenen Bewegungsformen und an verschiedenen Körperstellen geplant.
Denkbar ist hier die Nutzung passiver Bewegungen, wie beispielsweise aus dem Atemhub, oder aktiver Gelenkbewegungen beim Gehen oder Sport, z.B. an Ellenbogen- oder Kniegelenken. Durch systematische Variation von Patchgeometrie und Schichtdicke können Design-Empfehlungen für die Gestaltung des Harvesting-Patches in Abhängigkeit der genutzten Körperstelle, Bewegungsintensität und umsetzbaren Energiemenge abgeleitet werden.
Zur Fertigung flächiger DE-Elemente können gut automatisierbare Siebdruck- oder Rakelverfahren eingesetzt werden. Eine geeignete Prozesskette soll im Rahmen des Projektes für den Anwendungsfall weiterentwickelt und optimiert werden. Herausforderung ist hier unter anderem die Evaluation hautverträglicher, für medizintechnische Anwendungen geeigneter Materialien für den Fertigungsprozess sowie die Systemintegration der weiteren erforderlichen Elektronikkomponenten zur Spannungsverarbeitung.
Forschungsziel
Ziel des Projektvorhabens ist die Qualifizierung und Optimierung von flexiblen, DE-basierten Patches zum Energy-Harvesting direkt am menschlichen Körper aus Bewegungsenergie. Anhand von Demonstratoren und einer späteren Probandenstudie sollen konkrete Designparameter der DE-Patches (Schichtdicke, Geometrie) variiert und die umsetzbaren Energiemengen an verschiedenen Körperstellen und in Abhängigkeit der Bewegungsform untersucht werden, um daraus Designempfehlungen für die künftige Patchgestaltung ableiten zu können. Zudem ist die Weiterentwicklung und Optimierung einer geeigneten Prozesskette in Hinblick auf die medizintechnische Anwendung geplant, um die industrielle Nutzung der Harvesting-Patches für Wearables oder Smart Textiles zu ermöglichen.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Aufgrund der Größe von KMU haben diese nur selten eine eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung und sind daher häufig auf das Know-how externer Firmen und Partner angewiesen. Durch die Vorentwicklung im Rahmen des Projekts profitieren die beteiligten Unternehmen direkt von den Projektinhalten und generieren einen Innovationsvorsprung. Die beispielhaften Anwendungen können zusätzlich als Ausgangspunkt und Referenz für weitere verwandte Applikationen dienen.
Abbildung 3: DE-basierte Applikationen; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
Forschungsinstitute
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
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