Integration von Heizern in thermotrope flüssigkristalline Elastomer-Aktoren und deren Anwendung beim technischen Nachbau eines menschlichen Auges

Flüssigkristalline Elastomere (LCE) zeigen eine reversible Kontraktion und werden in der Literatur auch als „künstliche Muskeln“ bezeichnet. In dieser Arbeit werden sie mit einem integrierten Heizer versehen, um eine schnelle und präzise Ansteuerung zu ermöglichen. Anschließend werden diese als Aktoren zur Realisierung eines technischen Nachbaus des menschlichen Auges verwendet. rnDas einzigartige Verhalten der flüssigkristallinen Elastomere beruht auf der Kombination der Entropie Elastizität des Elastomers mit der Selbstorganisation der flüssigkristallinen Einheiten (Mesogene). Diese beiden Eigenschaften ermöglichen eine reversible, makroskopische Verformung beim Phasenübergang des Flüssigkristalls in die isotrope Phase. Hierbei ist es wichtig eine homogene Orientierung der Mesogene zu erzeugen, was in dieser Arbeit durch ein Magnetfeld erreicht wird. Da es sich um ein thermotropes flüssigkristallines Elastomer handelt, werden in dieser Arbeit zwei Ansätze vorgestellt, um den LCE intern zu heizen. Zum einen werden Kohlenstoffnanoröhren integriert, um diese über Strahlung oder Strom zu heizen und zum anderen wird ein flexibler Heizdraht integriert, welcher ebenfalls über Strom geheizt wird. rnUm den technischen Nachbau des menschlichen Auges zu realisieren, ist die Herstellung einer flüssigkristallinen Iris gezeigt. Hierzu wird ein radiales Magnetfeld aufgebaut, welches eine radiale Orientierung des Mesogene ermöglicht, wodurch wiederum eine radiale Kontraktion ermöglicht wird. Außerdem sind zwei Konzepte vorgestellt, um eine Elastomer Linse zu verformen. Zum einen wird diese mit einem ringförmigen LCE auseinandergezogen und somit abgeflacht. Zum anderen sind acht Aktoren über Anker an einer Linse angebracht, welche ebenfalls eine Vergrößerung der Linse bewirken. In beiden Fällen werden LCE mit dem zuvor präsentierten integrierten Heizdraht verwendet. Abschließend ist das Zusammensetzen des technische Nachbaus des menschlichen Auges dargestellt, sowie Aufnahmen, welche mit diesem erzeugt wurden.

Liquid crystal elastomers (LCE) show a reversible macroscopic shape change and are therefore known in literature as “artificial muscles”. In this thesis a heater for quick and accurate control is integrated in LCE. The resulting actuator is then used to build a thechnical replica of the human eye. rnThe unique properties of liquid crystal elastomers rely on the combination of the entropic elasticity of the elastomer and the self-organizing properties of the liquid crystals (mesogens). These two properties enable a reversible macroscopic shape change at the phase transition of the liquid crystal into the isotropic phase. This requires a homogeneous orientation of the mesogens which is realized with a magnetic field. For the use of a thermotropic liquid crystal elastomer two approaches for the integration of internal heating are introduced. For the first carbon nanotubes are integrated for heating with electricity or irradiation and for the second a flexible platinum heating wire is integrated which can be heated via electricity.rnFor the technical replica of the human eye there are presented a liquid crystal elastomer iris and a deformable lens. A radial magnetic field is designed which enables a radial orientation of the liquid crystal and therefore allows for radial contraction. Two concepts for deforming a lens are demonstrated. The first is a ring shaped LCE actuator which is integrated into the lens and thus expands the lens. For the second eight LCE actuators are bonded to the lens via anchors, and the contraction of the actuators results in an expansion of the lens as well. For both concepts the LCE with the integrated heating wire is used. Lastly the assembly of the components to a technical replica of the human eye and images taken with it are shown.