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Für große Roboter und kleine Endoskope

Roboterarme, biegsam wie Elefantenrüssel

18. März 2019, 11:45 Uhr | Hagen Lang

Professor Stefan Seelecke und seine Forschergruppe an der Universität des Saarlandes haben sich Elefantenrüssel oder Krakenarme zum Vorbild für Roboterarme genommen, die durch zehntausende Muskeln nach Bedarf Arme in alle Richtungen schlenkern und verbiegen und dabei gleichzeitig kraftvoll zupacken können.

Eine Forschergruppe der Universität des Saarlandes entwickelt Roboterarme mit »Muskeln« aus Formgedächtnis-Drähten, die keine Druckluft, sondern nur Strom benötigen. Weil das Material auch Sensoreigenschaften hat, kommen die Arme ohne zusätzliche Sensoren aus.

Dreh- und Angelpunkt sind die künstlichen Muskeln, die aus haarfeinen Drähten aus Nickel-Titan bestehen, die anspannen und entspannen können. Sie kontrahieren wie echte Muskeln, je nachdem ob Strom fließt oder nicht. »Die Legierung Nickel-Titan besitzt ein so genanntes Formgedächtnis. Wird ein Draht aus diesem Material verbogen, kann er seine ursprüngliche Form wieder annehmen. Fließt Strom durch einen solchen Draht, erwärmt er sich und seine Kristallstruktur wandelt sich so um, dass er sich verkürzt. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt er ab und wird wieder lang«, erklärt Professor Stefan Seelecke.

»Mehrere Drähte geben durch die größere Oberfläche mehr Wärme ab, dadurch erreichen wir schnelle Kontraktionen. Die Drähte haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen. Auf kleinem Raum entwickeln sie hohe Zugkraft«, erläutert Seelecke, der mit seiner Arbeitsgruppe auch am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) forscht. Dort entwickeln sie verschiedenste Anwendungen für die Drähte: vom neuartigen Kühlsystem bis hin zu Ventilen und Pumpen.

Bei ihren Roboter-Armen verbinden die Ingenieure die Drahtstränge als Beuge- und Streck-Muskulatur, so dass ihr Zusammenspiel eine fließende Bewegung hervorbringt. »Bei der Tentakel, die in der Medizin künftig etwa als Katheter oder Endoskop Anwendung finden kann, kommen wir hierbei mit einem Durchmesser von etwa 300 bis 400 Mikrometer aus. Auf diesem Raum lassen sich sonst keine anderen Antriebstechniken unterbringen, was etwa die Möglichkeiten bisheriger Katheter-Verfahren einschränkt«, erläutert Paul Motzki, der über die Formgedächtnis-Drähte seine Doktorarbeit geschrieben hat, und als wissenschaftlicher Mitarbeiter in Seeleckes Team forscht.

Im Gegensatz dazu ist die Tentakel steuerbar und kann als Werkzeug mehrere Funktionen erfüllen, etwa mit ihrer Spitze stoßen. Die Forscher modellieren und programmieren hierzu Bewegungsmuster zur Steuerung auf einen Halbleiterchip. Das System kommt dabei völlig ohne Sensoren aus. Die Drähte liefern selbst alle nötigen Daten. »Das Material der Drähte hat Sensoreigenschaften. Die Steuerungseinheit erkennt anhand der Messdaten des elektrischen Widerstandes zu jeder Zeit die genaue Position und Ausrichtung der Drähte», erläutert Paul Motzki.