3D-Drucker für Bionik

Was Fische mit Robotern zu tun haben: Bionik für Flexible 3D-gedruckte Robotergreifer

Prof. Lisa-Marie Faller forscht zur Bionik

Von Dr. Lisa-Marie Faller, Professorin für Robotik am 9.06.2021

Was die Natur schon lange kann, wenden wir für schlaue Technik an: So etwa könnte man das Grundprinzip der Bionik bezeichnen. Ein Beispiel wäre der Klettverschluss, der aus dem Vorbild von Klettfrüchten entstand. Aber auch in der Roboter­technik spielt die Bionik eine große Rolle. Hier erzählt dir Dr. Lisa-Marie Faller, Professorin für Robotik, wie Roboter­greifer durch Fische inspiriert werden – und wie du dir selbst einen solchen Greifer basteln kannst!

Bionik: Was ist das eigentlich?

Das Wort Bionik setzt sich aus den beiden Begriffen Biologie und Technik zusammen. Die Wissenschaft der Bionik beschäftigt sich also mit der Umsetzung von Konzepten aus der Natur und Biologie in technische Systeme und Bauteile.

Bionik in der Robotre­technik: Wie Fische den Roboter­bau inspirieren

Im Bereich der Robotertechnik sind es besonders oft Greifer, die auf solchen Konzepten basieren. Besonders bekannt ist hier das Prinzip des Fin RayÒ: hier nutzt man eine Eigenschaft, die Flossen von Knochenfischen aufweisen (Knochenfische sind Fische, deren Skelett ganz oder teilweise verknöchert ist, das ist tatsächlich nicht bei allen Fischen so). Die Flossen dieser Fische biegen sich auf Grund ihrer ‚Bauweise‘ einer einwirkenden Kraft entgegen. Das würde ein Blatt Papier z. B. nicht tun – es biegt sich nur in Richtung der einwirkenden Kraft (und nicht entgegen). Diese Wirkungsweise ist in der folgenden Grafik dargestellt:

Bionik für Robotergreifer: Die Grafik veranschaulicht, wie Knochenfische Robotergreifer inspirieren.

Das Prinzip lässt sich jetzt, wie oben dargestellt, auf die Finger von Roboter­greifern übertragen. Die Konstruktion basiert grund­legend auf einem Dreieck. In dieses Dreieck werden nun in bestimmten Abständen und unter bestimmten Winkeln Quer­streben eingebracht. Die Position, Form und Abmessungen der Streben und des Dreiecks (sein Aufbau bzw. seine Struktur) können nun variiert werden um für unter­schiedliche Anwendungen optimale Greif­ergebnisse zu liefern.

Das passiert heutzutage oft mit digitalen Modellen am Computer. Diese werden, wie oben dargestellt, als Zeichnungen am Computer erstellt und in Simulations­tools verwendet. In diesen Simulations­tools können physi­kalische Zusammen­hänge am Computer nachgestellt werden: in diesem Fall ist es die Kraft, die auf den Greiferfinger wirkt. Die viel­farbigen Dar­stellungen der Finger oben sind das Resultat so einer Simulation und die Farben stellen entsprechend die Größe der ein­wirkenden Kraft dar. Die in dieser Simulation größten Kräfte werden in rot dargestellt mit abnehmender Größe hin zu blauen Bereichen, wo die kleinsten Kräfte wirken.

Knochen­fisch dient als Beispiel für Bionik
Auch der dunkle Riesen­zacken­barsch gehört zu den Knochenfischen. Kaum zu glauben, dass diese behäbige Gestalt als Inspiration für Roboter­greifer dient, oder? | Quelle: Wikimedia – Diliff (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode)

Bionik in der Praxis: So wird ein bionisches Design umge­setzt

Durch dieses bionische Design wird es möglich, den Greifer so zu vereinfachen, dass er keine zusätzliche Steuerung seiner Finger benötigt – diese biegen sich durch die einwirkende Kraft automatisch um das zu greifende Objekt. Je größer die Krafteinwirkung, desto sicherer ist auch der Griff, das Konzept ist also auch entsprechend robust für schwerere Lasten.

Zur Herstellung und Anpassung eines solchen Systems, wie oben gezeigt, eignet sich besonders auch der Einsatz von 3D-Druck. Man sieht in der Grafik oben zwei unterschiedliche Designs, also Entwürfe für den Aufbau des Greiferfingers: in der Variante weiß-rot wurde ein weicheres Material verwendet als in der Variante schwarz-rot.

Außerdem wurden auch die geometrischen Abmessungen der Strukturen anders gewählt. Dadurch ergeben sich für die beiden Entwürfe auch unterschiedliche Greifeigenschaften. Über solche geometrischen Variationen und auch die Variationen im Material die durch 3D-Druck möglich sind, können die Greiferfinger dann auch in der Herstellung optimal an ihre Aufgabe angepasst werden.

Einen Bastelbogen, um selbst so einen bionischen Greifer herzustellen, findest du z. B. hier.

"Mein Antrieb ist es, etwas positives zu bewirken": unsere Autorin Prof. Lisa-Marie Faller

Dr. Lisa-Marie Faller ist Professorin für Robotik an der FH Kärnten, wo sie die Forschungsgruppe ADMiRE – das steht für Addictive Manufacturing, Intelligent Robotics, Sensors and Engineering  leitet. 

Prof. Lisa-Marie Faller forscht zur Bionik

Auch in Österreich wird zur Bionik geforscht: Über die Forschungsgruppe Admire

Hier stellt sich ADMiRE vor:

Unser Ziel ist es, den Stand der Technik in Bezug auf Design und Konstruk­tion von Systemen mittels additiver Fertigung (AM) und 3D-Druck von fortschrittlichen Material­kombinationen, strukturellem und topo­logischem Design, heterogener Integration und Funktionali­sierung sowie auf der Seite der Überwachungs- und Feedback-Fähig­keiten deutlich voran­zu­treiben.

Auf der Basis von AM sind wir in der Lage, hochfeste Leicht­bau­strukturen zu fertigen und verschiedene Materialien bei der Her­stellung zu kombinieren. Dies ermöglicht völlig neue Optimierungs­möglich­keiten und Design­para­digmen. Wir befassen uns mit Forschungs­fragen im Zusammen­hang mit dem optimalen Multi-Material-Design von Gitter­strukturen und deren AM-Fertigung, einschließlich Sensorik und Aktorik auf der Basis intelli­genter Materialien. Die notwendigen kosten­effizienten und dennoch hoch­dynamischen Fertigungs­strategien und -prozesse werden durch AM und funktionale Bauteile ermöglicht.

Der Einsatz von AM ermöglicht leicht­gewichtiges und funktionales Design und Überwachung sowie die Vorhersage von System- und Benutzerzustand und -absichten und führt zu einer neuen Generation intelligenter Systeme, die durch günstige Her­stellung­skosten für jedermann zugänglich sind und gleich­zeitig ressourcen- und energie­effizient hergestellt wurden. Dadurch ist es auch möglich über unsere Forschung den Euro­päischen Green Deal in die Umsetzung zu bringen.

Mehr über ADMiRE erfährst du hier!

Wir danken Frau Faller herzlich für ihren Beitrag zum Thema Bionik!

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