Programmierbare Materialien

Programmierbare Materialien sind Materialien oder Materialverbünde, deren Struktur so aufgebaut ist, dass sich ihre Eigenschaften gezielt kontrollieren und reversibel ändern lassen. In programmierbaren Materialien können komplexe und lokal unterschiedliche Funktionen einprogrammiert werden. Je nach Anwendung und Situation nimmt das Material dann von externen Triggern initiiert verschiedene Zustände und Materialeigenschaften an.

Programmierbare Materialien eröffnen ein einzigartiges Potenzial für neue Systemlösungen, da sie wesentliche Systemfunktionalitäten selber übernehmen und so zusätzliche Systemteile wie Sensoren oder Aktoren überflüssig machen.

Im Gegensatz zu Smart Materials gehen programmierbare Materialien über die bloße Kontrolle von den Eigenschaften von Material hinaus. Bei ihnen kann durch Wenn-Dann-Beziehungen das gesamte Materialverhalten reversibel und lokal variabel programmiert und kontrolliert werden.

Warum programmierbare Materialien?

Globale Megathemen wie Klimawandel, Energiewende, Zugang zu sauberem Wasser, E-Mobilität oder Digitalisierung erfordern neben politischem und gesellschaftlichem Wandel disruptive technologische Lösungen, die einen intelligenten, effizienten und nachhaltigen Umgang mit lokal zur Verfügung stehenden Ressourcen ermöglichen.

Programmierbare Materialien haben das Potential hier einen Paradigmenwechsel im Umgang mit Materialien einzuleiten, da sie technische Systeme aus vielen Bauteilen und Materialien durch ein einzelnes, lokal konfiguriertes ersetzen. Sie ermöglichen damit kleinere Systemgrößen und reduzieren die Komplexität von Gesamtsystem sowie die Abhängigkeit von großen Infrastrukturen.

Gerade in hochtechnologisierten Bereichen wie der Soft-Robotic können programmierbare Materialien helfen, die zunehmende Anfälligkeit durch komplexe Miniaturisierung wieder zu reduzieren.

Neben der höheren Funktionsintegration und der damit verbundenen Ressourceneffizienz, gestatten programmierbare Materialien in Zukunft aber auch gänzlich neue Funktionalitäten, die sich bisher gar nicht realisieren ließen, wie beispielsweise modulare, anwendungsbezogenen Geometrien.

Besonders hohes Potenzial bieten programmierbare Materialien dort, wo eine besonders hohe Effektivität oder Komfort, ein geringer Platzbedarf oder hohe Individualität gefordert sind. In folgenden Branchen erwartet das Cluster vielversprechende Lösungen mit programmierbaren Materialien:

• Ressourcen- und Energieeffizienz (Energy Harvesting, Solartechnik, Kühlung etc.)
• Umwelttechnologien (effektive Filtersysteme, Indikatorsysteme etc.)
• Miniaturisierung von Technologien (Funktionsintegration, hohe Funktionsdichte)
• Bessere Resilienz (Adaptivität, Selbstheilung, wenig bewegliche Teile)
• Medizin- und Gesundheitstechnik (Diagnostik, Therapie, Implantate etc.)

nach oben