Bionik Roboterarm beweglich wie ein Elefantenrüssel

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Sehr beweglich und sanft soll sich ein neuartiger Roboterarm bewegen können, den ein Team der Universität des Saarlandes gemeinsam mit Bionik-Experten von Festo entwickelt hat. Auf der Hannover Messe wird der Roboterrüssel vorgestellt.

Künstliche Muskeln und Nerven aus der Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung machen Roboterrüssel, wie es heißt, wendig und beweglich. Ganz so, wie ihr tierisches Vorbild. Sie sind allerdings wesentlich leichter als die Pendants aus Fleisch und Blut sowie unermüdlicher und präzise steuerbar. Die bionischen Roboterarme, die ein Forschungsteam um Professor Stefan Seelecke von der Universität des Saarlandes zusammen mit der Festo-Unternehmensgruppe entwickelt, verbrauchen auch nur wenig Strom und können gefahrlos mit Menschen zusammenarbeiten, heißt es weiter.

Auf der Hannover Messe zeigt das Team den neuen Prototyp mit Formgedächtnis. Der etwa 30 Zentimeter lange Rüssel demonstriere dort sein Können mit Muskeln und Nerven aus Nickel-Titan-Drahtbündeln.

Vorbild Elefant macht Roboterarm sanft und wendig

Industrieroboter sind heute zwar kraftvoll, flink und präzise, doch meist auch schwer und nicht zuletzt lebensgefährlich. Menschen, die mit ihnen arbeiten, müssen sich also in Acht nehmen, sonst hat ein Rempler schnell schmerzhafte Folgen, sagen die Forscher. Damit eine Mensch-Roboter-Kollaboration klappe, müssten Roboter also zu Softies werden. Der neue rüsselartige Roboterarm kommt deshalb ohne schwere Metallkonstruktion aus.

Die Saarbrücker Experten folgen dabei einmal mehr dem Vorbild der Natur. Diesmal ist es eben der Elefantenrüssel. Dieses evolutionäre Erfolgsmodell hab sich nicht zuletzt seit Jahrtausenden bewährt. Der schlanke Roboterrüssel kann schwingend pendeln und schlenkern und sich in alle Richtungen biegen, betonen die Forscher. Anders als die heutigen schweren, metallenen Roboterarme sei er nicht an sperrige Gelenke gebunden, die Bewegungen nur in bestimmte Richtungen zuließen. Wie sein tierisches Vorbild, kommt der Roboterrüssel also ohne stählernes „Knochengerüst“ aus. Er sei allein durch das geschickte Zusammenspiel seiner künstlichen Muskeln so wendig.

So baut man künstliche Muskeln aus Nickel-Titan

Künstliche Muskeln aus Nickel-Titan-Drahtbündeln können übrigens wie echte Muskeln kontrahieren. Und zwar auf Befehl verkürzen sie sich, ziehen sich also zusammen, und dehnen sich wieder aus – entspannen also. Diese außergewöhnliche Fähigkeit der Legierung Nickel-Titan beruhe auf dem Phänomen des Formgedächtnisses. Sie erinnere sich quasi an ihre ursprüngliche Form. Wird ein solcher Draht erwärmt, etwa indem ihn Strom durchfließt, verkürzt er sich, erklären die Saarbrückener. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt er ab und wird wieder lang. Der Grund liegt im Kristallgefüge der Legierung. Durch Wärme kommt es zu Festkörper-Phasenumwandlungen, erklärt Professor Paul Motzki, der mit Stefan Seelecke forscht. Anders als etwa bei Wasser, das bei Erwärmen ja gasförmig wird, bleibt Nickel-Titan zwar fest, aber der feste Zustand, seine Kristallstruktur, wandelt sich um.

Die Forscher setzen den Rüssel aus vielen der künstlichen Muskelsträngen zusammen. Wie echte Muskelfasern, die in Bündeln zusammengefasst sind, bündeln dazu auch die haarfeinen Nickel-Titan-Drähte. Drahtbündel geben durch die größere Oberfläche auch mehr Wärme ab, was die Kontraktionen schneller macht. Und stark sind sie auch, denn die Drähte haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen, wobei sie eine recht hohe Zugkraft entwickeln. Das macht es auf kleinstem Raum möglich, dennoch starke Antriebstechniken unterzubringen, was sonst unmöglich wäre. Indem sie mehrere dieser Drahtbündel in bestimmten Abständen durch eine Reihe runder, dünner Kunststoffscheiben fädeln, halten die Drahtbündel gewisse Abstände ein und es entsteht ein Rüsselsegment. Die Forscher setzen dann mehrere dieser Segmente zusammen, deren Scheiben zum Ende des Rüssels hin kleiner werden.

Elektrischer Strom biegt künstlichen Rüssel

Durch elektrische Impulse können die Forscher im Rüssel die metallenen Muskeln spielen lassen:

• Verkürzen sie die künstlichen Muskelstränge auf einer Seite in einem Muskelsegment, biegt sich der Rüssel an dieser Stelle im gewünschten Winkel nach außen.

• Das Zusammenspiel der Drahtbündel sorge dabei wie eine Beuge- und Streckmuskulatur für fließende Bewegungsabläufe.

• Ohne zusätzliche Sensoren könnten die Forscher den Rüssel hochpräzise und schnell ansteuern, so dass er beliebige Bewegungen vollführe.

• Die künstlichen Muskeln dienen dabei zugleich als Nerven des Systems – die Drähte selbst haben nämlich auch noch Sensoreigenschaften.

Jede Verformung der Drähte ändert den elektrischen Widerstand, wobei sich präzise Messwerte zuordnen lassen, so die Erklärung. Anhand der Messwerte wisse man dann genau, in welcher Position welches der Drahtbündel gerade verformt sei. So kann man auch sensorische Daten ablesen. Die Ingenieure modellieren und programmieren mit diesen Werten dann die Bewegungsabläufe, entwickeln hierfür „intelligente“ Algorithmen und trainieren so den bionischen Rüssel. Seine Spitze könnten sie mit zusätzlichen Funktionen ausstatten. Dazu gehören etwa ein Greifer oder ein Kamerasystem. Auch könne der Rüssel einen Schlauch tragen, der präzise Flüssigkeiten abgebe oder abpumpe.

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Die Universität des Saarlandes auf der Hannover Messe 2023: Halle 2, Stand B34

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