Phänomene der Natur auf Technik zu übertragen, ist beim Automatisierer Festo als Vorgehensweise seit längerem fest verankert. Immer wieder schaffen es Bionik-Entwicklungen hier bis zur Serienreife – mindestens aber liefern sie Erkenntnisse und Anregungen, um Serienprodukte beispielsweise leichter, kompakter und oftmals energieeffizienter zu machen. Aktuell gilt das gerade auch für Entwicklungen in der mobilen Robotik.
Mit der Entwicklung von Bionic Swift hat Festo die Weiterentwicklung seiner bionischen Flugobjekte zuletzt 2020 auf ein neues Level gebracht. Der Fokus beim künstlichen Vogel lag auf Leichtbaustrukturen, denn in der Technik wie in der Natur gilt: Je weniger Gewicht zu bewegen ist, desto geringer sind der Materialaufwand und der Energieverbrauch. Und so kommt der Robotervogel bei einer Körperlänge von 44,5 cm und einer Flügelspannweite von 68 cm mit 42 g Gewicht aus. Bionic Swifts sind agil, wendig und können Loopings sowie enge Kurven fliegen. Durch das Zusammenspiel mit einem Indoor-Navigationssystem auf Funkbasis bewegen sich die Robotervögel dabei koordiniert und autonom in einem abgesteckten Luftraum. Um diese Manöver möglichst naturgetreu zu fliegen, sind die Flügel dem Gefieder von Vögeln nachempfunden. Die einzelnen Lamellen bestehen aus einem ultraleichten, biegsamen, aber sehr robusten Schaumstoff und liegen schindelartig übereinander.
Bionik als Ideengeber
Seine Agilität verdankt der künstliche Vogel, neben einer Leichtbauweise und der aerodynamischen Kinematik, einer konsequenten Funktionsintegration. Im Vogelkörper befinden sich die kompakte Konstruktion für den Schlagflügelmechanismus, die Kommunikationstechnik sowie die Steuerungskomponenten für Flügelschlag, Höhenruder und den Schwanz.
Ein Indoor-GPS auf Funkbasis mit Ultra-Breitband-Technologie ermöglicht das koordinierte und sichere Fliegen der Robotervögel. Dazu werden mehrere Funkmodule in einem Raum angebracht. Anschließend lokalisieren sich diese Anker untereinander und definieren den kontrollierten Luftraum. Zudem ist jeder Vogel mit einem Funkmarker ausgestattet. Dieser sendet Signale an die Anker, die dadurch die genaue Position des Vogels verorten können und die gesammelten Daten an einen zentralen Leitrechner schicken, der als Navigationssystem fungiert. Durch die intelligente Vernetzung von Flugobjekt und GPS-Route entsteht ein 3D-Navigationssystem, wie es in der vernetzten Fabrik der Zukunft eingesetzt werden könnte. Durch die genaue Lokalisierung von Material- und Warenflüssen ließen sich zum Beispiel Prozessabläufe verbessern und Engpässe vorhersehen. Zudem könnten autonome Flugroboter etwa für den Materialtransport eingesetzt werden und mit ihren Flugkorridoren die Flächennutzung einer Fabrik optimieren.
Roboter und Werker
Ein weiteres Anwendungsfeld, mit dem sich Festo intensiv befasst, ist das Zusammenspiel von Robotern und Werkern. Neue Robotersysteme wie der Bionic Mobile Assistant sollen Werker beispielsweise bei monotonen oder gefährdenden Tätigkeiten entlasten und gleichzeitig risikofrei für Menschen sein. Künstliche Intelligenz spielt hierbei eine zentrale Rolle. Mit dem Bionic Mobile Assistant ist ein Prototyp eines Robotersystems entstanden, das sich autark im Raum bewegt und Gegenstände erkennen, adaptiv greifen und gemeinsam mit dem Menschen bearbeiten kann. Das System besteht aus drei Subsystemen: einem mobilen Roboter, einem elektrischen Roboterarm und einer bionischen Hand. Diese Bionic Soft Hand 2.0 – nach dem Vorbild der menschlichen Hand – kann Bewegungen naturgetreu ausführen. Dafür sind kleinbauende Piezoventiltechnik, Sensorik, Elektronik und mechanische Komponenten integriert. Die Finger und der opponierbare Daumen bestehen aus flexiblen Balgstrukturen mit Luftkammern, umhüllt von einem festen und zugleich nachgiebigen Textilgestrick (siehe Abb. rechts oben). Dadurch ist die Hand leicht, anpassungsfähig und sensibel, aber dennoch in der Lage, starke Kräfte auszuüben. Um den Spielraum von Daumen und Zeigefinger zu erweitern, haben die Entwickler den seitlichen Schwenkbereich beider Finger deutlich vergrößert. Mittels 3D-gedrucktem Handgelenk mit zwei Freiheitsgraden kann sich die Hand sowohl vor und zurück als auch nach links und nach rechts bewegen, um zu greifen.
Serienreif und als Automatisierungslösung verfügbar sind aktuell beispielsweise adaptive Greifer wie der Greiffinger DHAS, inspiriert von der Fischflosse, oder der Formgreifer DHEF, der anpassungsfähig wie eine Chamäleonzunge agiert. Zudem sind Bionik-Entwicklungen Teil der Lernsysteme, die von Festo Didactic angeboten werden.
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Karoline von Häfen, Leiterin Corporate Bionic Projects bei FestoBild: Festo
„Ein großer Themenblock betrifft die Digitalisierung“
Frau von Häfen, welche industriellen Technologietrends spiegeln sich in aktuellen bionischen Entwicklungen wider?
Ein großer Themenblock betrifft die Digitalisierung. Bezogen auf die Industrie stellt sich unter anderem die Frage, wie Maschinen untereinander kommunizieren können, also: Wie können sie sich verständigen? Wie wird drahtlose Kommunikation umgesetzt? Felder der künstlichen Intelligenz (KI) gehören in diesen Bereich.
Haben Sie ein Beispiel dazu, wie Sie KI konkret nutzen?
Unsere bionische Soft Hand hat gelernt, ein Objekt zu drehen, sodass die Parallele in der Natur das menschliche Gehirn oder das Lernen wie ein Mensch ist – und dies auf Maschinen zu übertragen, darum geht es uns. Im Fall dieser Hand führen die Maschinen Aufgaben aus, die so komplex sind, dass wir diese nicht mehr adäquat kontrollieren können. Also wir können keine einfache Software oder ein einfaches Programm dafür schreiben. Viel effizienter ist es, das Ergebnis und bestimmte Randbedingungen vorzugeben und die Maschine in die Lage zu versetzen, solche Prozesse selbst zu erlernen und effiziente Wege zu finden, Aufgaben zu lösen.
In Hinblick auf Losgröße 1 ist Flexibilität in Produktionsanlagen gefragt, die immer häufiger umgerüstet werden und sich austauschen müssen – also betrifft das auch Fragen dazu, wem Daten in der Cloud gehören, wie sie zu schützen sind oder ob Daten nicht auf den Maschinen selbst verarbeitet werden sollten – On Premise.
