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Smart materials such as magnetoactive elastomers (MAEs) combine elastic and magnetic properties that can be significantly changed in response to a magnetic field and therefore offer enormous potential for applications in both scientific research and engineering. When such an elastomer contains microsized hard magnetic particles, it can become an elastic magnet once magnetized in a strong magnetic field. This article studies a multipole MAE with the aim of utilizing it as an actuation element of vibration-driven locomotion robots. The elastomer beam has three magnetic poles overall with the same poles at the ends and possesses silicone bristles protruding from its underside. The quasi-static bending of the multipole elastomer in a uniform magnetic field is investigated experimentally. The theoretical model exploits the magnetic torque to describe the field-induced bending shapes. The unidirectional locomotion of the elastomeric bristle-bot is realized in two prototype designs using magnetic actuation of either an external or an integrated source of an alternating magnetic field. The motion principle is based on cyclic interplay of asymmetric friction and inertia forces caused by field-induced bending vibrations of the elastomer. The locomotion behavior of both prototypes shows a strong resonant dependency of the advancing speed on the frequency of applied magnetic actuation.

Sensorineurale Hörstörungen können mit einem Cochlea-Implantat behandelt werden. Der zu implantierende Teil des Cochlea-Implantat-Systems besteht aus Empfängerspule und Elektrodenträger. Der Elektrodenträger wird vom Chirurgen in die Cochlea inseriert, um dort die geschädigten Haarzellen zu ersetzen und die elektrische Stimulation des Hörnervs zu übernehmen. Diese manuelle Insertion des Elektrodenträgers in die Cochlea soll möglichst vorsichtig erfolgen, um keine intra-cochleären Strukturen zu beschädigen sowie post-operative Entzündungen und die iatrogene Ertaubung von Patienten mit Restgehör zu vermeiden, weswegen für diese Herangehensweise der Begriff „Soft Surgery“ geprägt wurde (Lehnhardt (1993), „Intracochlear placement of cochlear implant electrodes in soft surgery technique“). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Elektrodenträger und dessen Insertionsprozess in die Cochlea. Dazu werden zunächst digitale und anschließend physikalische, planare Modelle der humanen Cochlea erstellt, die die morphologische Variation abbilden. Diese werden anschließend für Insertionsstudien verwendet, welche dazu dienen, die Insertionskräfte während der Insertion zu messen. Es werden Einflussfaktoren auf den Insertionsprozess systematisiert und drei davon anhand von Studien mit eigens hergestellten Labormustern untersucht: Die Geometrie der Cochleamodelle, die Insertionsgeschwindigkeit des Elektrodenträgers und eine Beschichtung des Elektrodenträgers. Die Insertionsstudie in Cochleamodelle unterschiedlicher Größe wird verwendet, um die Abhängigkeit der Insertionskräfte von der Geometrie der Modelle zu analysieren. Der Einfluss der Insertionsgeschwindigkeiten und die Beschichtung des Elektrodenträgers werden mit dem Ziel einer Reduktion der Insertionskräfte untersucht. Abschließend wird ein fluidisch-aktuierter, nachgiebiger Mechanismus zur Funktionalisierung des Elektrodenträgers betrachtet. Zunächst wird ein im spannungsfreien Zustand gerader Mechanismus analysiert. Die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen nachgiebigen Mechanismus wird analytisch und numerisch gezeigt. Anschließend liefert die Synthese des fluidmechanischen Aktuators dessen geometrische Maße, um unter Druckbeaufschlagung mit definiertem Druck einer vorgegebenen Form zu entsprechen. Diese Synthese wird angewandt, um die Geometrien eines nachgiebigen Mechanismus für drei unterschiedlich große Formen der Cochlea zu bestimmen.

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to in-plane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.

Scanning and reconstructing the environment using tactile sensors alongside optical sensors is a promising approach in mobile robotics. Within the present paper, we take advantage of a recently presented vibrissa-inspired tactile sensor concept for 3D object scanning and reconstruction, broadening our previous studies. The sensor consists of a slender, cylindrical, highly flexible probe, one-sided clamped to some force-torque measuring device. The probe is shifted relatively to an object of interest by displacing its clamping position quasi-statically. Consequently, the probe gets bent, sweeps over the object and transmits mechanical signals (observables) to its support. The focus of the present investigation is on how the probe sweeps over a new type of object (paraboloid), verifying a necessary condition for optional contact points. Finally, this condition allows to find multiple equilibrium states for a single clamping position.

In the currently rapidly developing field of soft robots, smart materials with controllable properties play the central role. Thermosensitive elastomers are soft, smart materials whose material properties can be controlled by changing their temperature. The aim of this work is to investigate the mechanical properties, to analyze the surface, the inner structure, and the heat transfer within the thermosensitive elastomer materials. This should provide a knowledge base for new combinations, such as a combination of thermosensitive and the well-known magneto sensitive elastomers, in order to realize new applications. Thermoplastic polycaprolactone particles were incorporated into a flexible polydimethylsiloxane matrix to produce thermosensitive elastomer samples. With a low melting point in the range of 58-60˚C, polycaprolactone offers good application potential compared to other thermoplastic materials such as polymethamethylacrylate with a melting point above 160˚C. Test samples of different material compositions and geometries were made to examine temperature-depending material properties. Two useful effects were identified: temperature-dependent change in stiffness and the shape memory effect. In certain examinations, carbonyl iron particles were also included to find out if the two particle systems are compatible with each other and can be combined in the polydimethylsiloxane matrix without disadvantages. Changes in shore hardness before and after the influence of temperature were investigated. Micro computed tomography images and scanning electron microscopy images of the respective samples were also obtained in order to detect the temperature influence on the material internally as well as on the surface of the thermosensitive elastomers in combination with carbonyl iron particles. In order to investigate the heat transfer within the samples, heating tests were carried out and the influence of different particle concentrations of the thermosensitive elastomers with and without carbonyl iron particles was determined. Further work will focus on comprehensive investigations of thermo-magneto-sensitive elastomers, as this will enable the functional integration in the material to be implemented with increased efficiency. By means of the different investigations, the authors see future applications for this class of materials in adaptive sensor and gripper elements in soft robotics.

Soft Robotics ist ein aktuelles Forschungsfeld. Die Anwendung mechanisch nachgiebiger Materialien in technischen Applikationen wird aktuell intensiv vorangetrieben. Intelligente nachgiebige Materialien, beispielsweise Materialien, die ihre mechanischen Eigenschaften reversibel ändern können, werden in immer mehr technischen Anwendungen eingesetzt. Vordergründig geschieht dies mit den Zielen der Funktionserweiterung und der individuellen reversiblen Anpassbarkeit an veränderte Umgebungsbedingungen. Magnetorheologische Elastomere sind intelligente nachgiebige Hybridmaterialien, bestehend aus einer Elastomermatrix, die mit ferromagnetischen Partikeln gefüllt ist. In Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung dieser Hybridmaterialien werden weich- oder hartmagnetische Partikel eingesetzt. Diese Materialien besitzen die besondere Fähigkeit, ihre mechanischen Eigenschaften zu ändern, wenn auf sie Magnetfelder einwirken. Diese vorteilhaft nutzbare Eigenschaft macht ihren Einsatz in zahlreichen technischen Anwendungen dort effizient, in welchen Strukturen mit reversibel veränderbarer mechanischer Nachgiebigkeit eingesetzt werden sollen. Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften werden diese Materialien aktuell intensiv erforscht. Im Fokus der meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet stehen dabei die mechanische und magnetische Charakterisierung der Materialeigenschaften, sowie die Erarbeitung von Materialmodellen, die eine Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mit hoher Genauigkeit erlauben. Viele Effekte im Verhalten dieser Materialien sind aktuell noch nicht tiefgründig untersucht bzw. verstanden worden. In dieser Arbeit werden diese Hybridmaterialien aus ingenieurtechnischer Sicht betrachtet. Die Untersuchungen an diesen Materialien werden auf potentielle technische Applikationen fokussiert. Dabei wird der Schwerpunkt auf den magnetfeldinduzierten elasto-plastischen Effekt dieser Materialien, sowie auf die Nutzung dieses Effektes in einer exemplarischen technischen Anwendung, in End-Effektoren für die Greifertechnik, gelegt. In der Arbeit werden magnetorheologische Elastomere untersucht, die weichmagnetische Partikel in verschiedenen Volumenkonzentrationen enthalten. Im ersten Teil der Arbeit werden schwerpunktmäßig experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um geeignete Material- und Zusammensetzungsdesigns für das Hybridmaterial im Hinblick auf die gewünschte Anwendung definieren zu können. Mit Hilfe der anschließenden theoretischen Untersuchungen wird die Quantifizierung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien auf der Makro-Skala erreicht. Aufbauend auf diese Untersuchungen wird eine Methodik erarbeitet, die die Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mittels Anwendung der Finite-Elemente-Methode ermöglicht. Die exemplarische Verwendung dieser Materialien als End-Effektor beim Greifen von empfindlichen Objekten impliziert die formschlüssige Umhüllung der zu greifenden Gegenstände. Mit Magnetfeldern werden die Effekte der Nachgiebigkeitsänderung und der magnetfeldinduzierten Plastizität in diesen Hybridmaterialien stimuliert. Dadurch wird eine Formanpassung und damit formschlüssiges Greifen ermöglicht. In der Arbeit wird ein End-Effektor-Prototyp hergestellt und getestet, um die vorteilhafte Anwendbarkeit magnetorheologischer Elastomere in der Soft Robotics aufzuzeigen.