Smarte Folien und Textilien setzen neue Maßstäbe in der Aktorik

Forscher Sebastian Gratz-Kelly zeigt ein Sensorelement mit metallbeschichteter Folie: Das Touchpad auf dem Armband erkennt Druck und Bewegung des Fingers, der darüberstreicht. Mit maschinellem Lernen und KI kann es Buchstaben und Formen entziffern.

Foto: Oliver Dietze

Vom 31. März bis 4. April 2025 zeigt die Universität des Saarlandes auf der Hannover Messe Neuentwicklungen in den Bereichen smarter Textilien, Oberflächen und Folienaktoren. Am Saarland-Stand B10 in Halle 2 demonstrieren die Forscherteams um die Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes sowie John Heppe von der htw saar, wie ultradünne Silikonfolien mit elektrischer Spannung zu intelligenten Antrieben und Sensoren werden.

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Von VR-Westen bis Touch-Displays: Smarte Folien bringen Bewegung und Intelligenz in die Technik

Die gezeigten dielektrischen Elastomerfolien sind kaum dicker als Frischhaltefolie, doch sie ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum: Virtuelle Berührungen auf der Haut, haptisches Feedback auf Displays, interaktive Oberflächen, stromsparende Lautsprecher und sogar schallschluckende Textilien.

Auf Textilien aufgebracht, übertragen die Folien gezielte Bewegungen auf den Körper – beispielsweise in Virtual-Reality-Anwendungen. In Arbeitshandschuhen ermitteln sie Fingerbewegungen und machen diese für Gestenerkennungssysteme nutzbar. In Displays lassen sich durch die Folie taktile Bedienelemente wie Tasten oder Slider realisieren, die bei Bedarf erscheinen und wieder verschwinden.

Die Saarbrücker Forschungsteams entwickeln mit den Folien energieeffiziente und kostengünstige Transistoren. Ihre Vision ist eine Elastomerplatine für Hochspannung. Der Forscher Mario Cerino arbeitet an der Herstellung der neuartigen Transistorstrukturen.

Foto: Oliver Dietze

Energieeffiziente Bewegungen durch Elektrodenspannung

„Auf beiden Seiten ist sie mit elektrisch leitfähigen Elektroden beschichtet“, erklärt Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme und Geschäftsführer des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema). Wird Spannung angelegt, ziehen sich die Elektrodenschichten zusammen – die Folie verformt sich kontrolliert: „Indem wir das elektrische Feld verändern, können wir die Bewegungen der Folie steuern. Sie wird auf diese Weise zu einem leichten, aber effizienten Motor“, erläutert Motzki weiter.

Die Folie kann sowohl Hubbewegungen ausführen als auch vibrieren – und sie ist in der Lage, Positionen ohne Energiezufuhr zu halten, was ihre Energieeffizienz zusätzlich erhöht.

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Sensorik integriert: Die Folie misst ihre eigene Verformung

Ein weiteres Highlight der Technologie: Die Folien benötigen keine zusätzlichen Sensoren. Denn jede Verformung lässt sich direkt über die elektrische Kapazität auslesen. „Die Funktion eines Positionssensors ist also gleich in der Folie selbst mitenthalten“, so Motzki. Mittels Künstlicher Intelligenz können präzise Bewegungsmuster gesteuert und programmiert werden.

Neue Perspektiven durch Ultraschall und Transistorfunktionen

Im vom Saarland und dem EU-Investitionsfonds EFRE geförderten Forschungsprojekt TransDES (Transistorstrukturen auf Basis flexibler dielektrischer Elastomer-Systeme) werden derzeit neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen: Ziel ist die Entwicklung einer hochflexiblen Elastomer-Platine mit integrierter Aktorik und Sensorik.

Diese „weiche Platine“ könnte künftig die Funktion herkömmlicher starrer Leiterplatten übernehmen – und das mit integrierten Minimotoren, die zusätzlich als Sensoren fungieren. Damit wären kostengünstige, energieeffiziente und flexible Hochspannungsbauelemente realisierbar.

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Neue Metallschichten machen Folien fit für Hochfrequenz und Ultraschall

Bislang wurden die leitfähigen Schichten der Folien mittels Siebdruck aus Kohlenstoff (Ruß) erzeugt – mit hohem elektrischem Widerstand von rund 10.000 Ohm. Künftig sollen hochleitfähige Metallschichten per Lasertechnologie aufgebracht werden.

„Dadurch können wir weit mehr aus der Folie herausholen“, sagt Doktorand Sebastian Gratz-Kelly. Die gesamte Folienfläche könne bei hohen Frequenzen genutzt werden, Energieverluste würden verringert. „Mit einem speziellen Laserverfahren erreichen wir außerdem eine wesentlich kleinere Strukturgröße der Beschichtung“, so Gratz-Kelly.

Herausforderung: Dehnbare Metalle für flexible Elektronik

Um die Metallschichten trotz der Dehnbarkeit der Folien einsetzen zu können, arbeitet das Team von Prof. John Heppe (htw saar) an einer speziellen Lösung: „Wir nutzen dabei das sogenannte Sputter-Verfahren. Die leitfähige Schicht, die wir auf dem Elastomer aufbringen, ist mit zehn Nanometern mehr als tausendmal so dünn wie ein Haar“, erklärt Mario Cerino, Wissenschaftler im Team Heppe.

Der Trick: Die Folie wird beim Beschichten gedehnt. Nach der Entspannung entstehen feine Falten in der Metallschicht, die ein Mitdehnen ermöglichen. So entsteht ein Widerstand von nur 50 bis 100 Ohm pro cm² – ein im Vergleich zur bisherigen Technologie dramatisch verbesserter Wert.

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Die neue Technologie ermöglicht die Entwicklung von Silikon-basierten Transistoren. „Wie bei einem Wasserhahn, aus dem mehr Wasser fließt, wenn man ihn weiter öffnet, können wir aufgrund des jetzt geringen Widerstandes mehr Strom fließen lassen“, beschreibt Mario Cerino die neue Funktion.

Prof. John Heppe ergänzt: „Wird die Folie mit der Elektrode weiter gedehnt als bei ihrer Beschichtung, entstehen Risse in der Elektrode. Hierdurch steigt der elektrische Widerstand stark an. Dehnt sich die Folie, zeigen sich die Risse. Entspannt sie sich, bilden sich Falten: Die Risse schließen sich wieder. Wir können damit von sehr niedrigen Widerständen zu sehr hohen Widerständen umschalten, vergleichbar mit einem Transistor als elektrischer Schalter.“

Anwendung live erleben: Touchpad-Folie erkennt Formen und Schrift

Auf der Hannover Messe zeigen die Forschenden ein berührungsempfindliches Textil-Touchpad mit metallbeschichteter Folie, das mithilfe Künstlicher Intelligenz Buchstaben und Formen erkennt – eine Kombination aus smarter Sensorik, maschinellem Lernen und intelligenten Materialien.

Darüber hinaus werden weitere Demonstratoren vorgestellt: Smarte Textilien, Aktoren für haptisches Feedback, energieeffiziente Pumpen und Ventile sowie Ultraschall-Aktoren auf Basis dielektrischer Elastomere.

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Förderung, Forschung und Transfer in die Praxis

Das Projekt TransDES wird mit rund 500 000 Euro aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Saarlands unterstützt. Die zugrunde liegende Technologie wird im Rahmen zahlreicher Promotionsprojekte weiterentwickelt und wurde bereits in mehreren europäischen und nationalen Forschungsprogrammen gefördert, u. a. durch:

• EU (Marie-Curie-Fellowship)
• DFG (SPP KOMMMA)
• EFRE-Projekte iSMAT und Multi-Immerse
• MESaar-Promotionskolleg

Zur Umsetzung in die Industrie wurde aus dem Forschungsumfeld die mateligent GmbH ausgegründet, die ebenfalls auf der Hannover Messe vertreten ist.