Pneumatik Bionik trifft Pneumatik

Ob auf der Erde oder im Weltall, in den Tiefen des Ozeans oder hoch in der Luft – den neuen Antrieben im Bionic Learning Network von Festo ist eines gemeinsam: Sie nutzen die Vorbilder

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Ob auf der Erde oder im Weltall, in den Tiefen des Ozeans oder hoch in der Luft – den neuen Antrieben im Bionic Learning Network von Festo ist eines gemeinsam: Sie nutzen die Vorbilder der Natur. Dabei fühlen sie sich ganz in ihrem Element dank optimal angepasster Bewegungsabläufe – in Jahrtausenden von der Evolution kreiert und von neuester Technik inspiriert.

Fast lautlos bewegt er sich wendig durchs Wasser: der Airacuda. Der ferngesteuerte pneumatisch angetriebene Fisch folgt in seinem konstruktiven Aufbau, seiner Form und Kinematik seinem biologischen Vorbild. In seinem wasserdichten Kopf verstecken sich Elektronik und Pneumatik, die über zwei fluidische Muskeln die S-förmige Bewegung der Schwanzflosse steuern. Mit zwei weiteren Muskeln kann ein Lenkausschlag erreicht werden.

Die Struktur der Flosse selbst besteht aus einer alternierenden Zug- und Druckflanke, die mit Spannten verbunden ist. Wenn eine Flanke mit Druck beaufschlagt wird, wölbt sich die geometrische Struktur von selbst entgegen der einwirkenden Kraftrichtung.

Was kompliziert klingt, ist tatsächlich ein einfaches Prinzip, mit dem es dem Fisch möglich ist, die volle Kraft seines Flossenausschlages im Wasser zu entfalten. Diese Struktur trägt den Namen Fin Ray Effekt und kommt gleich zweimal zum Einsatz: zum einen als passives Bauteil in der Schwanzflosse, zum anderen als aktive Struktur im Rumpf. Hierbei werden die Diagonalen in der Struktur mit Hilfe der fluidischen Muskeln abwechselnd verkürzt.

Auch die Austarierung im Wasser gelingt dem Airacuda, wie seinem natürlichen Vorbild, mit Hilfe einer Luftblase. Im Inneren befindet sich ein Hohlraum, der mit Wasser geflutet oder mit Luft befüllt werden kann. Die Druckluft ist mit 300 bar Druck in einer Flasche im Gehäuse des Fisches gespeichert.

Der Flossenantrieb hat gegenüber einer herkömmlichen Schiffschraube einige Vorteile. Insgesamt wird ein größerer Teil der Bewegung in Schub umgesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Antrieben im Wasser kommt der Fisch ohne starre Antriebseinheiten aus.

Der fluidische Muskel ist eine Innovation von Festo. Er steht mit seinen Eigenschaften einem echten Muskel in nichts nach, wird jedoch mit Druckluft betrieben. Die Anfangs-kraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß, er ist in seiner Dynamik dem menschlichen Muskel ähnlich. Mit seinem geringen Gewicht, der hohen Flexibilität und seinen vielseitigen Einsatzmöglichkeiten ist er für die bionische Arbeit besonders geeignet.

Humanoid

Eine ganz andere Form der bionischen Arbeit leisten fluidische Muskeln von Festo beim Humanoiden Muskelroboter, einem Gemeinschaftsprojekt mit der EvoLogics und dem Fachgebietes Bionik und Evolutionstechnik der TU Berlin. Aus einer ersten Funktionsstudie mit einem einfachen Roboterarm im Jahre 2000 und verschiedenen Zwischenstufen entwickelte sich dieses Projekt zu einem Torso mit zwei anthropomorphen Roboterarmen und Fünffingerhänden.

Das Schlüsselelement für die technische Umsetzung lieferten die Fluidic Muscles von Festo, deren Zugkraft mittels künstlicher Sehnen aus extrem reißfesten Dyneema-Seilen momentfrei auch über mehrere Gelenke hinweg an die gewünschten Stellglieder über-tragen werden kann. So kann die Aktuatorik günstig im Körper angeordnet und die Masse der bewegten Teile klein gehalten werden.

Jeweils zwei dieser kraftvollen und ultra-leichten Aktuatoren können als antagonistisches Muskelpaar zusammengeschaltet werden und dienen zugleich als federnde Energiespeicher, die fließend-elastische Bewegungen ermöglichen. Mit elementaren Funktionen, wie Beugen, Strecken, Drehen werden im Gesamtkontext der Konstruktion mit insgesamt 48 Freiheitsgraden hoch komplexe Bewegungsabläufe realisierbar.

Der Humanoid verfügt annähernd über denselben Bewegungsradius wie ein gleich großer Mensch. Mit seinem guten Gewichts-Leistungs-Verhältnis, seiner Fähigkeit, Gegenstände zu greifen und im Bewegungsraum zu positionieren und seinen menschen-ähnlichen Proportionen lässt er keine Zweifel an seinem Vorbild aufkommen. Der Roboter kann sowohl vorprogrammierte Bewegungen abfahren, als auch über Datenanzug und Datenhandschuhe online aktuiert werden.

So können alle Bewegungen des menschlichen Protagonisten mit einer leichten Zeitverzögerung von ca. 0,5 Sekunden direkt auf den Roboter übertragen werden – auch über große Entfernungen. Daher kann der bionische Stellvertreter an Orten eingesetzt werden, die dem Menschen nicht zugänglich oder für ihn zu gefährlich sind. Die Palette potenzieller Anwendungsgebiete erstreckt sich vom terrestrischen Umfeld über die Tiefen des Ozeans bis zu Arbeiten im Weltraum.

b-IONIC Airfish

Ein technologischer Versuchsträger der besonderen Art ist der b-IONIC Airfish. Bionische Raffinesse in Form strömungsoptimierter Pinguingeometrie trifft in diesem Flugkörper auf eine ungewöhnliche Antriebsform, den Ionenstrahlantrieb.

Ionenstrahlantriebe wurden ursprünglich für Weltraumanwendungen konzipiert und arbeiten mit hohen Gleichspannungsfeldern. Die erzielten Rückstoßkräfte sind im luftleeren Raum sehr klein im Millinewton Bereich. Dort reicht dies aber aus, um durch stetige Beschleunigung massereicher Ionen über lange interplanetare Flugstrecken hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. In der Atmosphäre kann das gleiche Prinzip eingesetzt werden, um Luftionen zu beschleunigen und kleine Rückstoßkräfte für hochfliegende Flugkörper leichter als Luft zu erzielen.

Der Ionenstrahlantrieb wird in einen schwenkbaren Stummelflügeln eingesetzt, arbeitet nahezu lautlos und ohne bewegte Teile und macht das Flugobjekt beliebig steuerbar. Die flächige Luftbeschleunigung über der Tragfläche ersetzt den mechanischen Schlagflügelantrieb von Pinguinen und treibt den b-IONIC Airfish an.

Zukünftige Einsatzmöglichkeiten für atmosphärische Ionenantriebe liegen aber nicht schwerpunktmäßig auf dem Erzielen einer Vortriebskraft, sondern vielmehr in den Gebieten der Widerstandsreduktion und Widerstandsaufhebung. Zum Vergleich: Pinguine haben um ihren Körper eine Luftblase, gebildet durch Mikrobläschen im Federkleid, die den gesamten Körper umhüllt. Der hervorragende Widerstandsbeiwert liegt nicht nur in der geometrischen Besonderheit der Form, sondern auch in der Grenzschichtbeeinflussung mittels der umgebenden Phasen gasförmig – flüssig begründet.

Strömungsphänomene spielen auch in der Ventiltechnik eine große Rolle. Nach der Realisierung des Airfish mittels pneumatischer Strukturen und Schlaufenpropeller-antrieben, wird beim aktuellen Versuchsträger die konsequente Fortsetzung der gezielten Strömungswiderstandsbeeinflussung durch einen Inonenstrahl an der Oberfläche thematisiert. Daraus ableitbar ist eine gezielte Reibungsreduktion mittels Ionenwind. Dadurch würde ein b-IONIC Airfish der Zukunft in Luft schwimmen wie ein Pinguin im Wasser.

Festo, Tel. +49(0)711 3471873

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