Bionik

Inspiriert von der Natur

Bionische Lösungen für die effiziente Automation der Zukunft
Bionic Tripod mit Greifer. (Fotos: Festo)
Maximale Leistung bei minimalem Energieverbrauch: Die Natur weist den Weg für energieeffiziente Bewegungsabläufe in der Produktion von morgen. Sie gibt Impulse für neue und verblüffende Anwendungen in der Praxis.

In der Automation werden Flexibilität und Leichtigkeit der zu bewegenden Masse sowie Energieeffizienz immer wichtiger. Die Natur zeigt in vielen Beispielen, wie man mit einem Minimum an Energieverbrauch ein Maximum an Leistung erzielen kann. Festo will mit Hilfe der Bionik neue Technologien aufspüren und effiziente Lösungen für die Automation anbieten. Das Festo Bionic Learning Network – ein Verbund des Unternehmens mit namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen – hat sich im Laufe der vergangenen Jahre zu einem festen Bestandteil der Innovationsprozesse in Esslingen etabliert. Das Netzwerk ist Ausdruck der Lösungskompetenz zur Überprüfung neuer Ansätze für nachhaltige Produktentwicklung – aus bionischen Konstruktionsansätzen konnten für die Handhabungsindustrie neue Greifertechnologien für das flexible adaptive Greifen entwickelt werden.

In der Biomechatronik erprobt das Unternehmen neue Ansätze für Steuerung und Regelung autonomer bionischer Systeme bis hin zu Smart System Integration und dem Einsatz modernster Kommunikationstechnologien. Künftig werden für die Automatisierung der Produktion autonome, flexible, adaptive und selbstregulierende Prozesse eine wachsende Bedeutung bekommen. Damit wird auch die Weiterentwicklung von Sensorik und Regelungstechnik auf dem Weg zu dezentralen und autonomen selbststeuernden und selbstorganisierenden Systemen über die Inspiration aus der Natur vorangetrieben.

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Pinguine zu Wasser und in der Luft

AquaPenguine – das sind Technologieträger als autonome Unterwasserfahrzeuge: Die bionischen Pinguine veranschaulichen, was Lernen von der Natur bedeutet. Durch die Verwendung innovativer technischer Materialien und die schöpferische Kombination unterschiedlicher Konstruktions- und Funktionsprinzipien können neue Gestaltungsräume erschlossen und für die Automatisierungstechnik nutzbar gemacht werden. Die Pinguine sind als autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) ausgebildet, die sich im Wasser-Bassin eigenständig orientieren, selbständig navigieren und im Gruppenverband unterschiedliche, variable Verhaltensmuster ausbilden. Von den Naturvorbildern sind die strömungsgünstige Körperform und der elegante Flügelantrieb übernommen worden. Die Roboter-Pinguine können auf engstem Raum manövrieren, bei Bedarf auf der Stelle wenden und – anders als ihre biologischen Vorbilder – sogar rückwärts schwimmen. Ein absolutes Novum in der Robotertechnik ist der in alle Richtungen bewegliche Rumpf. Um eine solche „organische“ Formveränderung zu ermöglichen, wurden Kopf, Hals und Schwanzsegment mit einer neuartigen 3D Fin Ray Struktur ausgestattet. Damit wurde die von der Schwanzflosse eines Fisches abgeleitete Fin Ray Struktur zum ersten Mal auf den dreidimensionalen Raum erweitert. Die Servomotoren und die Steuerelektronik sind im trockenen Hauptsegment des Rumpfes untergebracht.

Eine intelligente 3D-Sensorik unterstützt die Manöver. Zur Analyse des Umfelds sind die Pinguine mit einem speziellen 3D-Sonar ausgestattet, das ähnlich wie bei Delfinen und Fledermäusen mit breitbandigen Ultraschall-Signalen arbeitet. Die Rumpfkonstruktion der Pinguine kann in der Automation als flexible Tripod-Anordnung eingesetzt werden und so in der Handhabungstechnik neue Anwendungsfelder erschließen. Der Arbeitsraum des BionicTripod wird im Vergleich zur herkömmlichen Tripod-Anordnung um ein Vielfaches erweitert – so sind zum Beispiel auch Pick-and-Place-Anwendungen mit einem 90-Grad-Versatz möglich. Kombiniert mit einem flexiblen und adaptiven Greifer wird das Bewegen von Objekten mit unterschiedlicher Form und fragiler Gestalt möglich.

Auch die intelligente Sensorik biete neue Anwendungsfelder. Das schnelle und exakte Regeln erlaubt dem AquaPenguin ein kollisionsfreies Schwimmen in der Gruppe bei gleichzeitiger Beherrschung von Höhenregelung, Druckausgleich, Temperaturausgleich und Lagestabilität. Die Übertragung auf die Automatisierungstechnik findet man analog dazu in der Regelungstechnik, zum Beispiel in den neuen Proportional-Druckregelventilen VPPM und VPWP für die Servopneumatik.
Der AirPenguin unterdessen bewegt sich in der Luft. Er ist ein autonom fliegendes Objekt mit kollektivem Verhalten, das in seiner Beweglichkeit und Wendigkeit seinem natürlichen Vorbild nahekommt. Die Ingenieure haben ihm das „autonome Fliegen im Luftmeer“ beigebracht. Eine Gruppe von autonom fliegenden Pinguinen bewegt sich frei schwebend in einem definierten Luftraum, der von unsichtbaren Ultraschall-Sendestationen erfasst wird. Innerhalb dieses Raumes können sich die Pinguine frei bewegen. Ein Mikrocontroller gibt den Pinguinen einen freien Willen, diesen Raum zu erkunden. Überträgt man die 3D Fin Ray Struktur des Nasen- und Schwanzbereichs auf die Anforderungen in der Automatisierungstechnik, kann diese Struktur beispielsweise als flexibler Tripod mit einem sehr großen Arbeitsraum im Vergleich zu herkömmlichen Tripods eingesetzt werden. Mit elektrischen Antrieben ausgestattet ermöglicht beispielsweise der BionicTripod von Festo ebenso wie der AirPenguin präzise und schnelle Bewegungen. PR/pb

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