Leitbild Elefantenrüssel

Ob Roboterarm oder haarfeine Tentakel für endoskopische Operationen: Die biegsamen Konstrukte einer Forschergruppe der Universität des Saarlandes zeigen Muskeln aus Formgedächtnis-Drähten.

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Lernen von den Konstruktionsprinzipien der Natur: Während der Beweglichkeit unserer menschlichen Gliedmaßen Grenzen gesetzt sind, weil eher sperrige Gelenke unbiegsame Knochen verbinden und somit Bewegungen nur in bestimmte Richtungen zulassen, bieten Elefantenrüssel oder Krakenarme ein Vielfaches an Gewandtheit. Mit tausenden Muskeln können die Tiere sie nach Bedarf in alle Richtungen schlenkern, gezielt verbiegen oder damit äußerst kraftvoll zupacken. An diesem Beispiel haben sich Ingenieure um Stefan Seelecke an der Universität des Saarlandes orientiert: Sie entwickeln Roboterarme, die ohne Gelenke und starres Bauteil-Skelett auskommen, dafür aber ebenso verformbar wie leicht sind – und überaus wendig agieren können.

In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt arbeitet die Gruppe gemeinsam mit Forschern der TU Darmstadt an dünnen, präzise steuerbaren Tentakeln. Dreh- und Angelpunkt des Vorhabens sind künstliche Muskeln – haarfeine Drähte, die anspannen und entspannen können. "Die Legierung Nickel-Titan besitzt ein sogenanntes 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 Seelecke.

Das Team am Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme bündelt nun solche feinen Drähte wie Muskelfasern. "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", sagt Seelecke, der mit seiner Arbeitsgruppe auch am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) forscht. Dort entwickeln sie viele weitere Anwendungen für die Formgedächtnis-Drähte: vom neuartigen Kühlsystem bis hin zu Ventilen und Pumpen.

Beuge- und Streck-Muskulatur aus Formgedächtnis-Drähten

Bei Roboterarmen verbinden die Ingenieure die Drahtstränge als Beuge- und Streck-Muskulatur, sodass 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, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Seeleckes Team.

Die Tentakel sei hochpräzise steuerbar und könne 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", sagt Motzki.

Formgedächtnislegierungen gehören zur Klasse der sogenannten "smart materials". Darunter versteht man Werkstoffe, die auf ein Signal hin eine "aktive" Reaktion zeigen. Formgedächtnislegierungen ändern ihre Form, wenn man die Temperatur ändert, und können dabei sehr große Verformungen erreichen." Martin Bäker, "Funktionswerkstoffe", Seite 29.

Und anders als heute übliche Roboterarme, die auf Elektromotoren, Druckluft oder Hydraulik angewiesen sind, arbeiten die Roboterarme der Saarbrücker Forscher nach eigenen Angaben völlig unabhängig von schwerem Gerät im Hintergrund. Alles, was die Drähte benötigten, sei Strom. "Das macht sie leicht, anpassungsfähig, leise und in der Herstellung vergleichsweise günstig", so Seelecke. Auf der Hannover-Messe vom 1. bis 5. April wollen die Forscher die Funktion ihrer Formgedächtnis-Arme zeigen und mit Bewegungsabläufen das Potenzial der Technik demonstrieren. Anwendungen sehen sie zunächst in der Medizintechnik, etwa als Führungsdraht bei Herzoperationen oder als Endoskop bei Magen- und Darmspiegelungen. Dafür statten die Forscher die Tentakel mit zusätzlichen Funktionen aus, etwa einer versteifbaren Spitze für Stoßbewegungen oder einem Greifer. Im großen Stil funktioniere die Technologie ebenso, sind sie überzeugt: Auch große Roboter-Rüssel seien möglich - die Technik sei skalierbar.