Bionic Learning Network / Lernen von der Natur

Aqua ray (PresseBox) (Esslingen-Berkheim, ) Wie können automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver gestaltet werden? Auf der Hannover Messe zeigt Festo auch in diesem Jahr innovative Antriebskonzepte des Bionic Learning Network. Die Versuchsträger nutzen dabei neueste Technologie von Festo. Mechatronische Gesamtkonzepte mit Möglichkeiten zu Fernwartung und Diagnose gehören ebenso selbstverständlich dazu wie neueste Piezoventile und elektrische Antriebe. Der fluidische Muskel von Festo, längst fester Bestandteil in der Fertigung, zeigt sich als Universalgenie in immer neuen verblüffenden Anwendungen. Für die komplexen Antriebsformen dienen Phänomene in Luft und Wasser, vor allem aber der Mensch selbst als Quelle der Inspiration.

Ungleiche Zwillinge: die Mantarochen Aqua_ray und Air_ray Untersuchungen zu Fortbewegungsarten im Wasser zeichnen die Rochen als Perfektionisten des Unterwasserfliegens und -gleitens aus. Dabei gleicht ihr Flossenschlag im Wasser dem Flügelschlag eines Vogels in der Luft. Ihre wellenförmigen Bewegungen bilden ein Optimum aus maximalem Vortrieb bei minimalem Energieverbrauch. Die strömungsoptimierte Form ermöglicht insbesondere dem Mantarochen einen eleganten Bewegungsablauf und macht ihn zum echten Unterwasserakrobaten.

Der Aqua_ray ist ein ferngesteuerter wasserhydraulisch betriebener Fisch, der in Form und Kinematik dem Bewegungsmodell eines Mantarochens nachempfunden wurde.

Als Aktuatoren dienen die bionischen Fluidic Muscles von Festo. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem hohlen Elastomerzylinder mit eingewobenen Aramidfasern. Wird der Fluidic Muscle mit Luft oder Wasser befüllt, vergrößert sich dieser im Durchmesser und wird in der Länge kontrahiert. Dadurch wird eine fließend-elastische Bewegung ermöglicht.

Der Fluidic Muscle von Festo, kombiniert mit dem Fin Ray Effect®, bildet die zentrale Vortriebs- und Steuereinheit des Aqua_ray. Der Fin Ray Effekt® ist eine von der funktionellen Anatomie der Fischflosse abgeleitete Konstruktion. Diese ermöglicht, den Flossenantrieb des natürlichen Vorbilds nahezu perfekt zu imitieren. Die Flossenstrahlen, die in der englischen Sprache als "Fin Ray" bezeichnet werden, machen es allein durch ihre Mechanik der Flosse möglich, den Flügel zu krümmen und die entstehenden Kräfte gleichmäßig über den gesamten Flügel zu verteilen. Die fließenden Muskelbewegungen werden in dynamische Flügelschläge umgewandelt; so erhält der künstliche Mantarochen seinen Vortrieb.

Bei Aqua_ray erzeugt, gleich einem Herz, eine wasserbetriebene zentrale Flügelzellenpumpe die erforderliche Energie, die in Form von Druck über eigens dafür entwickelte Spezialventile an drei antagonistisch arbeitende Muskelpaare weitergegeben wird. Deren Zugkraft wird durch künstliche Sehnen aus hochfesten Seilen über Rollen und Sehnenscheiden auf die Flügel und den Schwanz übertragen, welche den Kraftweg von 55 mm zu einem Flügelschlag von mehr als 550 mm nutzen.

Durch die Verwendung von neuartigen elastischen Materialien für alle beweglichen Teile und die 3D-verformbare Haut, sowie die Abstimmung der Elastizität und der selbstadaptiven Eigenschaften des Flügel- und Schwanzskeletts auf die hydrodynamischen Kräfte ist es gelungen, die Schwimmkinematik des Naturvorbildes nachzugestalten. Das Medium Wasser ist hierbei Teil der Funktion, denn nur in Verbindung mit dessen Eigenschaften kann die vollständige Authentizität der Bewegung erreicht werden.

Der Aqua_ray lässt sich hervorragend manövrieren und kann sowohl als hydrostatischer Gleiter als auch mit aktivem Flügelschlag betrieben werden. Das bedeutet eine hohe Energieersparnis. Seine Form und Fortbewegungsart lässt den Einsatz des Aqua_ray auf den verschiedensten Gebieten der Meeresforschung zu, ohne die natürliche Umgebung zu stören.

Auch der Air_ray hat den Mantarochen als Vorbild. Er ist eine ferngesteuerte Hybridkonstruktion aus einem mit Helium gefüllten Ballonet und einem Schlagflügelantrieb. Durch seine leichte Konstruktion ist es ihm möglich, mit dem Auftrieb des Heliums annährend so im Luftmeer zu "schwimmen", wie dies dem Mantarochen im Wasser möglich ist.

Der Vortrieb wird durch einen Schlagflügelantrieb realisiert. Der durch einen Servoantrieb auf und ab bewegbare Flügel besteht aus einer Struktur, die den bereits beschriebenen Fin Ray Effect® nutzt. Die Struktur selbst besteht aus einer alternierenden Zug- und Druckflanke, die mit Spanten gelenkig verbunden ist. Wenn eine Flanke mit Druck beaufschlagt wird, wölbt sich die geometrische Struktur von selbst entgegen der einwirkenden Kraftrichtung. Ein Servoantrieb zieht in Längsrichtung alternierend an den beiden Flanken und bewegt so den Flügel auf und ab.

Ergänzt wird diese Struktur durch einen torsionssteifen Mittelholm, der von Rainer Mugrauer entwickelt wurde. Dieser dient als Auflage für einen Servoantrieb, der am äußeren Ende des Mittelholms montiert ist. Mit diesem Servoantrieb kann der Schlagflügel in seiner Querachse verdreht werden. Dadurch wird das Rückwärtsfliegen des Air_ray's möglich. Das Höhenruder ist ebenfalls als eine mittels Servoantrieb angetriebene Fin Ray Struktur ausgeführt.

Der Fin Ray Effect® ermöglicht auch erste praktische Anwendungen in der Automatisierung. Sieben Teile können mit der Bionischen Materialweiche von Festo in einem Vorgang gezielt sortiert werden.

Airic's_arm

Wie kann mit technischen Mitteln ein Bewegungsapparat gestaltet werden, der in seinem konzeptionellen Aufbau, seiner technischen Konstruktion und seinem bionischen Design dem natürlichen Vorbild Mensch möglichst nahe kommt? Airic's_arm ist von der Natur inspiriert. In der Kombination von Mechatronik und Bionik zeigt er neue Möglichkeiten, wie automatisierte Bewegungsabläufe der Zukunft aussehen könnten.

Airic's_arm ist ein Roboterarm, der mit artifiziellen Knochen und Muskeln ausgestattet ist. 30 Muskeln bewegen die Knochenstruktur, die wie bei uns Menschen aus Elle und Speiche, Mittelhandknochen und Fingerknochen, sowie Schulterkugelgelenk und Schulterblatt besteht; Gelenke, die in der technischen Welt so nicht vorkommen. Bei Airic sind die Knochen nicht selbst gewachsen und sie verheilen auch nicht selbstständig nach einem Bruch. Sie sind am Computer konstruiert und wachsen mit modernsten Lasersinterverfahren dreidimensional im Raum aus Polyamid.

Die Muskeln sind ein Produkt von Festo und unter dem Namen Fluidic Muscle in der industriellen Praxis bereits weit verbreitet. Der Fluidic Muscle ist ein Schlauch aus Elastomer mit eingewobenen Aramidfasern. Wird der Muskel mit Druckluft befüllt, vergrößert sich sein Durchmesser und gleichzeitig wird seine Länge verkürzt. Die Anfangskraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß und er ist in seiner Dynamik dem menschlichen Muskel ähnlich. Sein größter Vorteil gegenüber dem menschlichen Muskel ist, dass er im verkürzten Zustand keine weitere Energiezufuhr mehr benötigt. Dies bedeutet, dass ein Gewicht von Airic's_arm, einmal angehoben, beliebig lange in jeder Position gehalten werden kann. Durch den Einsatz dieser Technologie gelingt es, die Kräfte und die Steifigkeit in der Konstruktion exakt zu regeln. Dies gelingt mit sehr kleinen und höchst innovativen Piezo Proportionalventilen von Festo. Mit Druck- bzw. Längensensoren werden die Zugkräfte bzw. die Verkürzung der einzelnen Muskeln ermittelt. Eine von Festo entwickelte mechatronische Einheit regelt dann die Druckverläufe des Systems, und es wird ein Bewegungsablauf möglich, der in seiner Kinematik, seiner Geschwindigkeit, seiner Kraft aber auch seiner Feinheit den menschlichen Bewegungen nahe kommt.

Die Koordination dieser vielen Aktuatoren ist nur durch modernste mechatronische Systeme und Software möglich. Was bei uns Menschen in Bewegung ohne weiteres Nachdenken unbewusst oder sogar reflexartig passiert, muss hier noch mit großem Aufwand Computer unterstützt gesteuert und geregelt werden. Eine Erweiterung der Sensorik von Airic's_arm, wie z.B. durch Kameras oder Elemente zur taktilen Wahrnehmung sind zukünftig ebenso denkbar, wie eine Weiterentwicklung in der Ausgestaltung von Rücken, Hüfte, Nacken etc.

All diese Eigenschaften sind in der Zukunft auch für die Robotik interessant. Mit ihrer Hilfe können bald noch mehr gefährliche und gefährdende Situationen der Technik überlassen werden.

Mechatronik pur: Sky_liner und Airmotion_ride
Einen Drachen zu lenken erfordert einige Kunst und Geschicklichkeit. Mit dem Projekt Sky_liner zeigt Festo erstmals, dass eine Steuerung auch vollautomatisiert mit Hilfe der Mechatronik gelingen kann, und schlägt damit den Bogen zu seiner Kernkompetenz, dem Automatisieren mit bewegter Luft.

Sky_liner ist eine Anordnung von zwei Zwei-Leinen-Drachen, welche je mit einer mechatronischen Steuereinheit gesteuert werden. Die beiden Drachen werden also nicht mehr von Hand gesteuert, sondern Indoor mit Servomotoren und künstlichem Wind automatisiert betrieben. Jede Leine ist über Schnellschaltventile an einen fluidischen Muskel DMSP von Festo gekoppelt, welcher beim Ausbrechen des Drachens durch Kontraktion die Leine "verkürzt" und gegensteuert.

Mit der bionischen Konstruktion Airmotion_ride können im Zusammenspiel mit mechatronischen Systemen die unterschiedlichsten Fahr- und Flug-Simulationen realisiert werden. Eine Hexapodstruktur in Parallelkinematik mit sechs fluidischen Muskeln von Festo gibt ein realistisches Fahr- und Fluggefühl. Als führender Pneumatikanbieter zeigt Festo mit diesem Projekt eine spannende und kostengünstige Alternative zu aufwändigen hydraulischen Konstruktionen.

Bionic Learning Network
Das Bionic Learning Network ist Teil des Engagements im Bereich der technischen Aus- und Weiterbildung. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Ideen und Initiativen, die über das Kerngeschäft der Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante Anwendungsgebiete sein könnten. Pressetext und -bilder finden Sie auch im Internet unter www.festo.com/presse, weitere Informationen zum Bionic Learning Network von Festo unter www.festo.com/bionic.

Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.

Kontakt

Festo AG & Co. KG
Ruiter Strasse 82
D-73734 Esslingen
Dr. Heinrich Frontzek
Leiter Corporate Communication
Social Media