Multifunctional dielectric elastomer transducers as integrated audio-tactile interfaces with self-sensing capability

Abstract

Dielectric elastomer transducers (DET) offer many advantages over conventional electro-mechanical drives due to their high energy efficiency, low weight and simultaneous usability as actuator and sensor. This dissertation focuses on the use of DEs as multifunctional elements, to develop fundamentally new and inventive systems for human interaction. Through the developed advanced control of a single DET device, different structural resonance ranges of DETs are stimulated and experimentally validated. With the investigated and characterised new operating principle of DETs, multifunctional elements with tactile and simultaneous acoustic feedback, as well as input detection capabilities, are realised the first time. With this innovative principle, a lean and highly integrated audio-tactile feedback unit with self-sensing capability is developed in a systematic optimization process. This enables the extension of sensor and pure haptic systems by multifunctional interaction. The developed elements, principles, processes and manufacturing methods are systematically described and experimentally validated. The sensor and actuator properties of the developed multifunctional systems as well as their applicability in many application areas, are identified and validated by methodical measurements and subject surveys. In summary, innovative and systematic concepts and application-oriented solutions for DET-based user interfaces, as assistance tools and smart textile integrated composite systems, are developed.

Dielektrische Elastomere (DE) bieten durch ihre hohe Energieeffizienz, ihr geringes Gewicht und ihre gleichzeitige Verwendbarkeit als Aktor und Sensor viele Vorteile gegenüber herkömmlichen elektromechanischen Antrieben. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Verwendung von DEs als multifunktionale Elemente, um grundlegend neue und innovative Systeme für die menschliche Interaktion zu entwickeln. Durch die entwickelte erweiterte Ansteuerung eines einzelnen DE-Elements, werden verschiedene strukturelle Resonanzbereiche von DEs angeregt und experimentell validiert. Mit dem untersuchten und charakterisierten neuen Funktionsprinzip von DEs werden erstmals multifunktionale Elemente mit taktiler und gleichzeitiger akustischer Rückmeldung, sowie Eingabeerfassungsmöglichkeiten realisiert. Mit diesem innovativen Prinzip wird in einem systematischen Optimierungsprozess eine schlanke und hochintegrierte audio-taktile Feedback-Einheit mit Self-Sensing-Fähigkeit entwickelt. Dies ermöglicht die Erweiterung von sensorischen und rein haptischen Systemen um eine multifunktionale Interaktionsebene. Die entwickelten Elemente, Prinzipien, Prozesse und Fertigungsmethoden werden systematisch beschrieben und experimentell validiert. Die sensorischen und aktorischen Eigenschaften der entwickelten multifunktionalen Systeme, sowie deren Anwendbarkeit in vielen Anwendungsbereichen, werden vorgestellt und durch methodische Messungen und Probandenbefragungen validiert. Zusammenfassend werden innovative und systematische Konzepte und anwendungsorientierte Lösungen für DE-basierte Benutzerschnittstellen als Assistenzwerkzeuge und intelligente textile Verbundsysteme entwickelt.