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HandhabungstechnikIdeen aus der grünen Truhe


Die Natur ist für den Menschen ein großer Lehrmeister. So manche Detaillösung eines Problems ist ein ausgereiftes Meisterstück und kann dem Ingenieur als Vorlage für „bionisch inspirierte Maschinen“ dienen. Allerdings wird eine ungeprüfte Nachahmung der Natur nicht angestrebt und ist meistens mangels äquivalenter Bauteile auch nicht möglich. Das Fachgebiet bezeichnet man als Bionik, und die gliedert sich inzwischen in viele Teilgebiete von der Architekturbionik bis zu Evolutionsstrategien. Mit der Idee vom mobilen autonomen Serviceroboter entwickelte sich auch das Interesse, Fortbewegungstechniken (Lokomotion) zu verstehen und technisch nachzubilden. Vermutlich ist es vor allem dieser Bereich der Robotik, der zukünftig vom Design der Biologie besonders profitieren dürfte.
Handhabungstechnik: Ideen aus der  grünen Truhe


Terrestrische Lokomotion

Der Bauplan der Säugetiere, Reptilien und Insekten offeriert neben einer günstigen Standmechanik auch die Möglichkeit, bei gleichem Grundbauplan eine große Zahl unterschiedlicher Fortbewegungsformen zu erzeugen. Insekten laufen bei mittleren Geschwindigkeiten statisch sehr stabil und werden immer wieder als Studienobjekt ausgewählt. Für autonome mobile Roboter, Laufmaschinen und Teleoperatoren wird seit vielen Jahren mit Rad-, Raupen- und Beinkonstruktionen experimentiert. Sechsbeinige Maschinen gleichen dabei riesigen Gliederfüßern. Jedes Bein kann drei angetriebene Bewegungen ausführen, was einen Gesamtfreiheitsgrad von 18 ergibt.

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Allerdings ist der filigrane Bau eines Insektenbeins auch nicht annähernd zu erreichen. Hier bedarf es einiger Mechanik. Senkrechte und waagerechte Beinbewegungen sind antriebsmäßig voneinander getrennt. An jedem Schwenkzylinder kann über Stromventile eine weich ablaufende Bewegung eingestellt werden. Es gibt natürlich noch viele andere Beinkonstruktionen. Man will studieren, wie Laufmaschinen Hindernisse schreitend bewältigen können, für die Zukunft natürlich unter Einbeziehung von Navigationssystemen und bordeigener Intelligenz.

Es gibt bei den Funktionsmustern künstlicher, bionisch beeinflusster Konstrukte unter anderem auch eine überdimensionale Spinne, deren Beine mit einem halben Hundert Fluidmuskeln (Festo) bewegt wird. Die große Anzahl resultiert daraus, dass man für jede Beweglichkeit – wie bei Lebewesen – „Beuger“ und „Strecker“ braucht. Das Fortbewegungssystem erfordert auch eine besondere Reglerstruktur, die wie bei der Stabheuschrecke offenbar kein „zentraler Regler“ sein kann.

Bei vierbeinigen Maschinen ist es schwieriger, das Gleichgewicht zu halten. Hat ein Bein vom Boden abgehoben, kann das Ganze umkippen. Ein Sechsfüßer kann jedoch zwei beliebige Beine ohne Stabilitätsverlust hochheben. Gegenwärtig wird viel unternommen, um zweibeiniges Schreiten zur Reife zu bringen. Vor knapp 25 Jahren hatte man sich bereits an der Carnegie-Mellon-Universität (USA) erfolgreich mit einem hüpfenden einbeinigen Roboter beschäftigt.

Aquatische Lokomotion

Für die Fortbewegung im Wasser hat die Natur etliche Antriebsarten hervorgebracht, die auch Inspiration für technische Anwendungen sein können. Wechseltierchen der Gattung Amoeba, die im Süßwasser leben, scheiden Flüssigkeiten durch ein pulsierendes Bläschen aus. Es entsteht als Hohlraum im Körperplasma, füllt sich mit Flüssigkeit und presst diese durch Zusammenziehen nach außen. Mit einem Nachbau soll zweidimensionales Schwimmen erreicht werden. Zwischen den Trennwänden befinden sich Ballons, die stoßartig aufgeblasen werden können und die dabei dem Konstrukt einen Bewegungsimpuls in die entgegengesetzte Richtung vermitteln. Die Impulse lassen sich nach Stärke und Richtung genau dosieren. Das erste Labormuster hatte allerdings noch die Größe eines Esstellers.

Verteilung in alle Richtungen

Das kugelrunde Pollenkorn stellt einen wichtigen Fortschritt in der Evolution dar. Für die Windbestäubung müssen große Pollenmengen bereitgestellt und effektiv verteilt werden. Das mag vor einigen Jahren Erfinder auf die Idee gebracht haben, für die innerbetriebliche Logistik eine Kugel als Transportbehälter vorzuschlagen. Die ideale Geometrie der Kugel mit ihren unendlich vielen Symmetrieachsen sollte zu einem einfachen System an Transportwegen führen. Die praktische Funktion der Kugelpalette dürfte wohl eher problematisch sein, denn wenn es nicht gelingt, den Masseschwerpunkt bei verschiedenen Beladungen auf Mitte zu bringen, dann wandelt sich die Rollfähigkeit in ein unkontrolliertes Gleit-Wälzen. Denkt man sich aber statt der Kugel einen Transportzylinder, dann sieht die Sache viel freundlicher aus. Treibt man den Zylinder pneumatisch durch ein Rohr, dann hat man ein Rohrpostsystem. Dafür wurde aber bereits 1835 das Patent an einen Österreicher vergeben.

Platzsparend magazinieren

Ob Bienenwabe oder Blütenstand der Sonnenblume - dichte Speicherung von Objekten (Bienenleiber, Samenkörner) sind die Regel in der Natur, und das reizt den Techniker zur Übernahme des Konzepts. Es existiert eine Lösung, wie man Maschinenwerkzeuge für eine CNC-Maschine auf einer Halbkugelfläche nach dem Vorbild der Löwenzahnblüte magazinieren kann. Der Speicher ist sehr kompakt. Die Konstruktion hat sich aber nicht durchgesetzt, weil zum Beispiel vertikale Kettenspeicher noch günstiger integrierbar sind. Bei der Kugelkopfschreibmaschine konnte sich das Prinzip als Typenspeicher jedoch lange Zeit erfolgreich halten. Bei der „Malling-Hansen-Schreibkugel“, eine Schreibmaschine aus dem Jahre 1878, war sogar das Tastenfeld als Halbkugel ausgebildet.

Wer sich nun ausführlich und aktuell mit Biologie gestützten Lösungen und nachnutzbaren Forschungsergebnissen beschäftigen will, dem sei ein Klick in das Bionik-Kompetenznetzwerk sehr empfohlen. Stefan Hesse

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