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:
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.
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.
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!
