Project

Discipline

Dielectric elastomer transducer; Organic molecular beam deposition; Smart medical implants; Compliant metal/elastomer nanostructures; Nanometer-thin polymer films; Low-voltage force feedback sensor

Lead
Biegsame elektronische Bauteile auf Basis von dielektrische Elastomeren, sogenannte „dielectric elastomer transducers“ (DET), sind bekannt für ihre mechanischen Eigenschaften ähnlich denen menschlichen Muskelgewebes. Die außergewöhnliche Effizienz, um elektrische in mechanische Energie zu transformieren, hat diese Technologie bereits im Bereich robotischer Anwendungen etabliert und macht sie zum vielversprechenden Kandidat für zukünftige intelligente medizinischen Implantate. Um diese biokompatibel zu machen, wurde zuletzt deren Arbeitsspannung um Größenordnungen in den Bereich von Batteriespannungen um 12V reduziert.
Lay summary
Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist der Fokus auf die sensorischen Fähigkeiten der DET-Nanostrukturen, das heisst die Transformation von mechanischer in elektrische Arbeit. Im Gegensatz zu den Anwendungen als künstliche Muskeln sind hier nur wenige Schichten von Gold/Silikon Sandwichstrukturen nötig. „Molekularer Kunststoffkleber“ auf der Basis von Thiol-silikonen ermöglicht hierbei eine stabile und homogene zweidimensionale Anordnung von nanometer-dünnen Goldschichten auf Silikonoberflächen. Bisher waren die Silikonmembranen einige Mikrometer dick, und für deren Betrieb Hochspannungen nötig. Thermisches Verdampfen von organischen Molekülen unter definierten Vakuumbedingungen erlaubt nun die Erzeugung ultradünner Schichten. Die neuen Silikonmembranen im Nanobereich ermöglichen dann einen Betrieb mit herkömmlichen Batterien. Die ausgezeichnete experimentelle Kontrolle durch sogenannte Ellipsometrie bei der Herstellung der nanometerdünnen Sandwichstrukturen ist ein wichtiger Grundstein für eine Langzeitstabilität – und diese ist für medizinische Anwendungen unbedingt erforderlich.   Unsere Vision ist die Anwendung der biokompatiblen Drucksensoren für künstliche Muskelimplantate bei der Behandlung von Inkontinenz einzusetzen. Weiterhin können diese Drucksensoren unmittelbare Rückmeldung innerhalb von Millisekunden liefern, um die Sicherheit von Endoskop-geführter Laserchirurgie zu verbessern. Um konkurrenzfähige Produkte auf den Markt zu bringen, müssen die Herstellungskosten jedoch erheblich gesenkt werden. Gelingt dies, können Multilagen der beschrieben Sandwichstrukturen als Aktuator und Sensor gleichzeitig fungieren um die Funktionalität natürlichen Muskelgewebes nachzuahmen. Gleichzeitig könnten die neu entwickelten Strukturen in Zukunft vielleicht sogar elektrische Energie aus Körperbewegungen gewinnen.

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Last update: 08.08.2017

Dielectric elastomer transducers (DET) exhibit a strain-stress behavior comparable to human tissues. During my PhD thesis I have demonstrated DE actuators based on elastomer layers several hundred nanometers thin generating 6 % strain applying voltages as low as 12 V. To build a sphincter (actuator) thousands of nanostructures have to be stacked realizing the force comparable to natural muscles. Therefore, this Bridge-application will focus on the sensing capability of dielectric elastomer transducers (DETs). Molecular beam deposition (MBD) will serve for the preparation of about a dozen nanometer-thin elastomer and metal layers. Pre-stretched nanometer-thin electrodes are intended to keep the whole DE-sensor as soft as the elastomer itself and avoid the stiffening by the gold. Tailored elastomers for MBD are proposed in collaboration with D. Opris (Laboratory of Functional Polymers, Empa) to obtain highly elastic films with significantly increased permittivity. Whereas, MBD is a flexible and extremely precise deposition technique, electro-spray deposition (ESD) of polymers is the cheaper alternative. Currently this setup has been assembled into vacuum atmosphere for enhanced homogeneity and reduced defect density within the elastomer membrane. I am convinced that this state-of-the-art technique allows realizing nanometer-thin DETs for the first time. For both MBD and ESD, spectroscopic ellipsometry will enable the growth control with nanometer precision. Finally, these fabrication techniques will serve for direct integration of the sensor without implying further geometrical restrictions to the medical implant. The resulting high-performance multi-layer sensors will remain operational even if one or the other layer fails due to breakdowns. The expected long-term reliability and low power compsuption permits the implanted dielectric elastomer sensor to be autonomous. With millisecond time response the functionality of artificial sphincters for incontinence treatments will be significantly enhanced. Here, several collaborations have been established: besides Myopowers S.A. (St. Louis, France), our partner in the nanotera.ch initiative, I am in contact with the team of N. Dhar (Wayne University, USA) seeking for artificial sphincters with smart pressure adaption. Colleagues from our department, including G. Rauter, like to implement the DET into sophisticated devices. Within the MIRACLE project the sensor arrays could become part of the endoscope that enables laser-based tissue cutting. Consequently, several patent applications can be filed, which should form a sound basis to establish a MedTech start-up company.