Fühlende Hände für Roboter auf Mars und Meeresboden
Fraunhofer-Werkstoffinstitut IWS kombiniert Bionik und 3D-Druck für neue Greifer
Dresden, 29. Oktober 2024. Damit Ernteroboter, U-Boot-Greifer und rollende Roboter auf fernen Planeten künftig universeller einsetzbar und selbstständiger werden, bringt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) aus Dresden ihnen das Fühlen bei: Die Ingenieure arbeiten mit Partnern aus Industrie und Forschung an künstlichen Greifern, die nach dem Vorbild der Natur konstruiert sind. Dabei hilft die Kombination von 3D- und Dispensdruck mit weiteren Technologien – eine wichtige Rolle spielen aber auch Fische.
Zugreifen, ohne die Erdbeere oder die Seegurke zu zerquetschen
Das Konzept: Flexible Greifer aus dem 3D-Drucker erkennen mit Sensorhilfe, wie fest sie zupacken dürfen, ohne etwas zu beschädigen. Technische Systeme wie Roboter oder andere Maschinen sollen lernen, ähnlich wie eine menschliche Hand „einfühlsam“ zu greifen. Künftige Einsatzmöglichkeiten sind Ernteroboter, die Erdbeeren pflücken, ohne sie zu zerquetschen, Unterwasser-Sammler für Seegurken oder autonome Rover, die Proben vom Mars sicher bergen.
„Die Natur ist voll von Lösungen“
Dabei lassen sich die Forscher von der Natur inspirieren, versuchen, das zugrundeliegende biologische Prinzip zu verstehen, technologisch nachzuahmen und weiterzuentwickeln. Dieser Ansatz nennt sich „Bionik“ oder auch „Biologisierung“. „Die technologischen Fortschritte in der additiven Fertigung ermöglichen es inzwischen, viel mehr biologische Konzepte als früher zu adaptieren“, betont Mechatronik-Ingenieur Hannes Lauer vom IWS, der das Projekt „Biogrip“ betreut. „Die Natur ist voll von Lösungen. Wenn wir als Ingenieure nicht weiterkommen, lohnt sich immer der Blick auf ihre Konzepte.“
Gruppenleiter Moritz Greifzu ergänzt: „Bioinnovationsprozesse dauern oft mehrere Jahre und erfordern aktuell noch viel Förderung sowie vor allem interdisziplinäres Zusammenarbeiten. Hier soll eine neue Generation von Bionikern ausgebildet werden, die über ein starkes Netzwerk verfügen und Erfahrung mit kompletten Innovationsprozessen haben.“
„Finray“-Effekt: Flosse umschließt Objekt
Im konkreten Fall machen sich die Projektpartner die Fähigkeit der Flossen bestimmter Fische zu Nutze, auf einen Druck nicht mit einer ausweichenden, sondern einer Gegenbewegung zu reagieren, also die angreifende Kraft zu umschließen. Die Fische selbst verwenden dies, um sich einfacher fortzubewegen. Diesen „Finray“ genannten Effekt haben die Ingenieure im Zuge des »BioGrip«-Projektes adaptiert. Sie haben dafür mit Sensoren versehene Greifer gedruckt, die Objekte dank Finray-Technologie schonend umfassen können. Dafür hat das Fraunhofer IWS zunächst eine Greifer-Grundstruktur – ähnlich dem Flossenskelett der Fische – aus dem biegsamen Kunststoff Polyurethan erzeugt. Dafür haben sie einen 3D-Drucker verwendet, der nach dem additiven Prinzip „Fused Filament Fabrication“ (FFF) arbeitet. Solche Geräte schmelzen Kunststoff von der Rolle auf und generieren aus der Schmelze dann schichtweise – nach einem Computermodell als Vorlage – die gewünschte Struktur.
Silbersensoren „fühlen“ Krümmung, Berührung und Druck
Auf die Oberfläche des Greifers bringt danach ein Dispens-Drucker mit Kanülen feine Strukturen aus Silberpaste auf. Im Anschluss werden die so generierten Muster mittels Infrarotstrahlung funktionalisiert. Zu diesen Funktionsstrukturen gehört beispielsweise ein Mäander-Muster aus 250 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) schmalen Leiterbahnen. Biegt oder streckt sich der einzelne Finger, ändert sich der elektrische Widerstand des Mäanders. Dadurch lässt sich die Greiferkrümmung jederzeit ermitteln.
Dispens-Drucker erzeugt verschiedene Sensoren und Aktuatoren auf dem Greifer
Der Drucker generiert auf den Greiferfingern auch übereinander geschichtete dünne Ebenen aus Silber und Isolatoren, sodass ein flacher Kondensator entsteht. Werden die beiden Silberebenen durch eine äußere Kraft zusammengepresst, ändert sich die Kapazität des Kondensators. So lässt sich die auf den Greifer wirkende Kraft ermitteln. Der Dispensdrucker kann zudem berührungssensitive und andere Oberflächensensoren herstellen. Kombiniert mit Mikrosystemen in der integrierten Steuer- und Auswerteelektronik lässt sich eine Vielzahl weiterer Funktionen der menschlichen Hand simulieren. Denkbar wäre etwa, durch ein leichtes Schütteln des gegriffenen Objektes dessen Gewicht abzuschätzen.
Bionische Greifer für Mars und Meeresgrund
Diese Kombination mehrerer additiver Druckverfahren und weiterer Technologien erzeugt autonome Greifer, die gewissermaßen „fühlen“ können, was sie fassen. In Industrie und Forschung wächst bereits das Interesse. Zur Debatte steht unter anderem die Sammlung von Proben mit unvorhersehbaren Formen auf dem Mars. Lebensmittelunternehmen könnten mit derart nachgerüsteten Robotern Äpfel oder anderes Obst schonend sortieren und einpacken. Biologen könnten mit Fühlgreifern kleine Seeigel, Seegurken und andere Ozeanbewohner einsammeln, ohne sie zu verletzen. Weitere Anwendungsszenarien dürften noch folgen.
Bionik soll auch Abwasser säubern
Dabei ist „Biogrip“ nur eines von mehreren Vorhaben am Fraunhofer-IWS, bei denen die Natur als Blaupause oder Inspirationsquelle dient. Dazu gehören Laseranlagen, die Lotus-Effekte und andere natürliche Tricks zur Abwehr von Schmutz, Eis oder Reibung als feine Muster auf Oberflächen gravieren. Im Projekt „Nature4Nature“ arbeiten die Dresdner Bioniker gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an neuartigen Filtern, die verhindern sollen, dass Kläranlagen Mikroplastik in die natürlichen Wasserkreisläufe und letztlich in die Weltmeere spülen. Hier haben sich die Forscher von der Fähigkeit einiger Rochen und Paddelfische sowie anderer Suspensionsfresser in den Ozeanen leiten lassen. Diese sieben mit speziellen gewachsenen Strukturen ihre Lieblingsspeisen wie Plankton und andere Kleinstlebewesen aus dem Meerwasser. Wie das genau funktioniert, ist zwar noch Gegenstand von Forschungen. Doch viele Prinzipien verstehen die Biologen bereits. So haben die Paddelfische in ihren Kiemen natürlich gewachsene Bögen und Rechen. Sie bilden zusammen Stufenstrukturen. In deren Zwischenräumen entstehen Wirbel, in denen sich die gewünschten Nahrungsteilchen sammeln. In den Mäulern der Manta-Rochen wiederum prallen die Partikel an kleine Strukturen ab und gelangen mit dem Hauptstrom zum Rachen, während das Wasser nach außen dringen kann. Diese und ähnliche Fähigkeiten wollen die Projektpartner auf selbstsäubernde Filter übertragen, die Mikroplastikteilchen aus dem Abwasser seihen. Die bionischen Strukturen sollen in speziellen 3D-Druckern entstehen.
Fühlende Roboter könnten auch bei Bomben- und Minenentschärfung helfen
Die IWS-Forscher sind jedenfalls überzeugt, dass in der Verbindung aus Biologie und Technologie noch viel Potenzial steckt: „Die Kombination mehrerer additiver Verfahren eröffnet in der Bionik ganz neue Möglichkeiten“, prognostiziert Hannes Lauer. Für seine fühlenden Greifer sieht er Anwendungsmöglichkeiten in der Raumfahrt, Meeresbiologie, Lebensmittelwirtschaft und in der Bomben-Entschärfung.
Branchenbeobachter erwarten starkes Marktwachstum für Bionik
Und die wirtschaftlichen Perspektiven solcher und ähnlicher Forschungen sind groß. Bereits jetzt realisiert die Bionik weltweit Milliardenumsätze mit starken Wachstumsraten. Die Analysten von „Mordor Intelligence“ gehen davon aus, dass der globale Bionikmarkt – im englischen, weiter gefassten Woirtsinn von „Bionics“ – bereits in diesem Jahr rund 6,69 Milliarden US-Dollar umfassen wird und bis 2029 auf 10,58 Milliarden US-Dollar wächst. Sie prognostizieren durchschnittliche jährliche Wachstumsraten von knapp zehn Prozent bis zum Ende der Dekade.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: Fraunhofer IWS, Wikipedia, Oiger-Archiv, Studie „Bionik-Marktgrößen- und Marktanteilsanalyse – Wachstumstrends und -prognosen (2024 – 2029)“
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