Festo Bionik: Einfach genial – genial einfach

Let‘s think Bionic Ein wichtiges Ziel der technischen Lösungen der Zukunft muss es sein, komplexe Aufgabenstellungen möglichst nicht mit noch komplexeren Technologien zu beantworten. Die Natur ist dabei eine unerschöpfliche Quelle der Inspiration. Let‘s think Bionic – willkommen in der bionischen Welt von Festo.

Dipl.-Ing. Rainer Ostermann
Country Manager von Festo Österreich

„Für gewöhnlich lösen wir in der Technik Komplexität mit noch mehr Komplexität. Wird dieser Kreislauf durchbrochen und ein hochkomplexes Problem mit einfachen Mitteln gelöst, eröffnet das spannende Möglichkeiten.“

Er ist einer der ältesten Träume der Menschheit: der Traum vom Fliegen. Und in vielerlei Hinsicht haben wir ihn schon erfüllt – mit manch ungewöhnlichen Flugmaschinen. Denn Hightech ist meistens mit im Spiel, wenn es darum geht, in luftige Höhen abzuheben. Die Forschung und Entwicklung von Festo geht seit vielen Jahren einen anderen Weg. Dabei wird die Natur ganz genau unter die Lupe genommen, denn die Natur hat im Laufe der Evolution Lösungen hervorgebracht, die an Einfachheit und Effizienz nicht zu überbieten sind. „KISS – Keep it simple“, war dabei ein einschlagbares Erfolgsrezept.

Einzigartiges Flugverhalten: frei beweglich wie das natürliche Vorbild dank der elastischen Flughaut und einer intelligenten Kinematik.

Einzigartiges Flugverhalten: frei beweglich wie das natürliche Vorbild dank der elastischen Flughaut und einer intelligenten Kinematik.

Forschung unter Wasser und in der Luft

Im Bionic Learning Network von Festo – einem Verbund mit Universitäten, Schulen, Instituten und Unternehmen – ist das Fliegen ein immer wiederkehrendes Thema. Am Anfang tauchten die Entwickler jedoch noch unter Wasser ab, um verschiedene biologische Vorbilder zu untersuchen, die zwar nicht fliegen konnten, sich aber dennoch per Flügelschlag fortbewegten. Vor rund zehn Jahren hoben dann die ersten Forschungsträger richtig ab. Dank seiner Leichtbauweise, dem Auftrieb durch Helium und dem Schlagflügelantrieb bewegte sich der Air_ray durch die Luft wie ein Mantarochen durchs Wasser. Dann wurde erstmals der Vogelflug entschlüsselt: der SmartBird war von der Silbermöwe inspiriert und produzierte gleichzeitig Vor- und Auftrieb ganz ohne Helium – ein Meilenstein in der Bionic.

In Schlaf- oder Ruhezeiten legen echte Flughunde ihre Flügel an und hängen kopfüber an den hinteren Zehen – eine optimale Fluchtposition. So ist auch der BionicFlyingFox bereit zum losfliegen.

In Schlaf- oder Ruhezeiten legen echte Flughunde ihre Flügel an und hängen kopfüber an den hinteren Zehen – eine optimale Fluchtposition. So ist auch der BionicFlyingFox bereit zum losfliegen.

Abgestimmt im Kollektiv bewegen

2013 hat Festo mit dem BionicOpter das hochkomplexe Flugverhalten der Libelle technisch umgesetzt. Dank der verbauten Steuerungselektronik konnte dieses ultraleichte Flugobjekt wie sein biologisches Vorbild in alle Richtungen manövrieren, auf der Stelle fliegen und ganz ohne Flügelschlag segeln. Auch die eMotionButterflies (2015) beherrschten die schnellen Bewegungen mit Hilfe ihrer intelligenten On-Board-Elektronik. Damit sich die künstlichen Schmetterlinge dabei aufeinander abgestimmt im Kollektiv bewegen, wurden sie – wie auch der vor kurzem präsentierte BionicFlyingFox – mit Infrarotmarkern erfasst und von einem externen Motion-Tracking-System koordiniert.

Um schon die Jugend für Technik zu begeistern, hat
Festo heuer auf der Hannover Messe einen Bionik-Baukasten
präsentiert.

Um schon die Jugend für Technik zu begeistern, hat Festo heuer auf der Hannover Messe einen Bionik-Baukasten präsentiert.

Fliegen ohne Federn

Für den BionicFlyingFox haben die Entwickler Eigenschaften des Flughunds mit einem ultraleichten Flugobjekt technisch umgesetzt. Bei einer Spannweite von 228 cm und einer Körperlänge von 87 cm wiegt der künstliche Flughund lediglich 580 Gramm. Der Flughund zählt zu den Fledertieren – die einzigen Säugetiere, die aktiv fliegen können. Ein besonderes Kennzeichen ist ihre feine und elastische Flughaut. Die Membran besteht aus Ober- bzw. Lederhaut und erstreckt sich von den verlängerten Mittelhand- und Fingerknochen bis zu den Fußgelenken. Beim Fliegen steuern die Tiere mit ihren Fingern gezielt die Wölbung der Flugmembran und können sich so aerodynamisch und besonders wendig durch die Luft bewegen.

Leonardino bringt Bionic in die Volksschule.

Leonardino bringt Bionic in die Volksschule.

Agile Kinematik

Um dem natürlichen Vorbild so nahe wie möglich zu kommen, ist die Flügelkinematik des BionicFlyingFox ebenfalls in Arm- und Handschwinge gegliedert und mit einer elastischen Haut bespannt, die sich von den Flügeln bis zu den Füßen fortsetzt. Wie beim biologischen Vorbild liegen alle Gelenkpunkte auf einer Ebene, sodass der künstliche Flughund seine Flügel einzeln ansteuern und zusammenfalten kann. Damit sich der BionicFlyingFox in einem definierten Luftraum teilautonom bewegen kann, kommuniziert er mit einem Motion-Tracking-System, das permanent seine Position erfasst, die Flugbahn plant und die entsprechenden Steuerbefehle liefert.

Maschinelles Erlernen der idealen Flugbahn

Die Bilder der Kameras gehen an einen zentralen Leitrechner. Der wertet die Daten aus und koordiniert den Flug wie ein Fluglotse von außen. Dazu liegen auf dem Rechner vorprogrammierte Pfade, die dem BionicFlyingFox bei seinen Manövern die Flugbahn vorgeben. Die nötigen Flügelbewegungen, um die Sollbahnen optimal umzusetzen, berechnet der künstliche Flughund mithilfe seiner On-Board-Elektronik und komplexer Verhaltensmuster selbst. Die Regelalgorithmen erhält der Flughund jedoch vom Leitrechner, wo sie maschinell erlernt und permanent verbessert werden. Dadurch kann der BionicFlyingFox sein Verhalten während der Flüge optimieren.

Antrieb mit ausgeklügelter Hebelmechanik

Die Arm- und Handschwingen lassen sich in jedem Zustand so ansteuern, dass sich die Flügel harmonisch und nahezu rüttelfrei bewegen. Dafür ist die Handschwinge an die Armschwinge gekoppelt und folgt dieser aufgrund einer Zwangskinematik, wodurch Totpunkte in der Bewegung vermieden werden. Ein neun Gramm leichter, bürstenloser Gleichstrommotor im Rumpf des Flughunds treibt diese Flügelkinematik mittels Getriebeübersetzung an. Der Faltmechanismus der Flügel lässt sich individuell über zwei kleine Linearantriebe stufenlos einstellen. Seine Agilität verdankt der künstliche Flughund neben der ausgetüftelten Kinematik auch seiner Leichtbauweise und dem cleveren Materialeinsatz: Sein Körper ist aus Schaumstoff; das Skelett besteht aus gefrästen Carbonstäben und 3D-gedruckten Teilen.

Speziell entwickelte Flugmembran

Die Flughaut des Modells ist hauchdünn, ultraleicht und gleichzeitig robust. Sie besteht aus zwei luftdichten Folien und einem Elastan-Gestrick, die an circa 45.000 Punkten miteinander verschweißt sind. Aufgrund ihrer Elastizität bleibt sie auch beim Einziehen der Schwingen nahezu faltenfrei. Die Wabenstruktur des Gestricks verhindert, dass kleine Risse in der Flughaut sich weiter vergrößern. Der Fokus liegt beim künstlichen Flughund wie bei seinem biologischen Vorbild auf Leichtbaustrukturen. Denn in der Technik wie in der Natur gilt: Je weniger Gewicht zu bewegen ist, desto geringer ist der Energieverbrauch.

Impulse für die Produktion der Zukunft

Immer öfter wird die Intelligenz von der zentralen Steuerung auf die Subsysteme und Komponenten verteilt. Werkstücke werden zunehmend intelligent und wissen, welches Produkt aus ihnen entstehen soll. Dementsprechend können sie mit den Maschinen kommunizieren und ihnen mitteilen, wie sie bearbeitet werden müssen. Beim BionicFlyingFox ist das ähnlich. Die Intelligenz ist ebenfalls dezentral verteilt: Der Leitrechner gibt die Flugbahnen und die Steuerbefehle vor. Während des Flugs vergleicht er die von ihm berechneten Sollbahnen mit den tatsächlichen und passt diese durch Machine Learning immer besser an. Daher genügt es, der Steuerungselektronik zu Beginn ein rudimentäres Wissen einzuprogrammieren. Aus den Berechnungen leitet sich der künstliche Flughund selbst die entsprechenden Idealeinstellungen seiner Kinematik ab. Er erkennt, wie er die Flügel und Beine steuern muss, um die Befehle des Leitrechners optimal umzusetzen.

Robuster, effizienter und weniger komplex

Weiche Materialien und flexible Strukturen werden häufig verwendet, um Bewegungsabläufe, Greifvorgänge oder das Zusammenspiel von Mensch und Maschine einfach und sicher zu gestalten. Im Gegensatz zu unserer meist zentral gesteuerten, technischen Welt, finden sich in der Natur oft Lösungen, die sich durch große Toleranzen, adaptives Verhalten oder dezentrale Aktionen auszeichnen. Diese sind oft robuster, effizienter und weniger komplex. Kann ein komplexes Problem mit einfachen Mitteln gelöst werden, ist das genial. Die Herausforderung ist es jedoch, solche einfachen Lösungsprinzipien und ihre technische Abstraktion zu finden. Dipl.-Ing. Rainer Ostermann, Country Manager von Festo Österreich: „Für gewöhnlich lösen wir in der Technik Komplexität mit noch mehr Komplexität. Wird dieser Kreislauf durchbrochen und ein hochkomplexes Problem mit einfachen Mitteln gelöst, eröffnet das spannende Möglichkeiten.“

Bionic Thinking

Das Bionic Learning Network wurde gegründet, um von der Natur zu lernen und neue Impulse für die Industrie zu gewinnen. Diesen Erfahrungsschatz gibt Festo im ungewöhnlichen Workshop „Agiles Entwickeln von der Natur inspiriert“ weiter. Dabei kann man erleben, wie man bionische Ansätze für die Entwicklung technischer Innovationen nutzbar macht. Die Teilnehmer der eintägigen Veranstaltung lernen Bionic als interdisziplinäre Wissenschaft kennen. Sie erleben Kreativmethoden und wenden diese in praktischen Übungen an. Besonders interessant ist dieses Training z. B. für Produkt- und Projektmanager, Entwickler und Innovationsmanager aus der Industrie. Es eröffnet Inspirationsquellen für gänzlich neue Denkansätze.

Von Elefantenrüssel bis Chamäleongreifer

Um schon die Jugend für Technik zu begeistern, hat Festo heuer auf der Hannover Messe einen Bionik-Baukasten präsentiert. Er enthält das Material zum Bau von drei verschiedenen Bionik-Projekten: Bionischer Elefantenrüssel mit adaptivem Greifer mit Fin Ray Effect, bionischer Fisch und bionischer Chamäleongreifer. Ergänzend zur Hardware gibt es eine digitale Lernumgebung (www.bionics4education.com) mit weiteren Inhalten zur Bionic sowie hilfreichen Tipps zur praktischen Umsetzung. Dipl. Ing. Rainer Ostermann freut sich über die bionischen Entwicklungen und den gelungenen bionischen Lernbaukasten für Schulen und alle Aus- und Weiterbildungsstätten – auch jenen, die sich der Vermittlung von MINT-Kenntnissen sonst nicht so sehr verschrieben haben: „Einen mechanischen Fisch zusammen zu bauen, zu programmieren und dann zum Schwimmen zu bringen – das macht Technik zu einem echten Erlebnis, das man im wahrsten Sinne des Wortes 'be-greifen' kann. Mit dem Bionik-Baukasten lernt man von der Natur. Das weckt die Neugier – insbesondere bei Kindern und Jugendlichen, die in der Schule sonst weniger Zugang zu MINT-Themen haben.“

Bionic für die Kleinsten

Bionische Inspirationen faszinieren Groß und Klein. Darum bringt Festo sie mit „Leonardino“ auch in die Volkschule (www.leonardino.at) – ein erfolgreiches Bildungsprojekt, das seit 11 Jahren konsequent ausgebaut wird. Die Initiatoren haben alle 263 städtischen Wiener Volksschulen mit Experimentierboxen zu „Luft und Luftdruck“ (Wert pro Box € 630,-) sowie „Strom“ (Wert pro Box € 700,-) ausgestattet. Nun hält mit der Einführung der „BionikBox“ von Festo (Wert pro Box € 650,-) ein weiteres naturwissenschaftliches Thema Einzug in den Volksschulunterricht. Dabei werden beispielsweise der Klettverschluss und der Leichtbau unter die „Forscherlupe“ genommen.

Der erste Technikpreis für Kinder

In eigens konzipierten Basis- und Aufbauworkshops für Lehrerinnen und Lehrer wird die optimale Handhabung der Boxen im Unterricht anschaulich vermittelt. Ein ganz besonderes Highlight des Projekts ist der alle zwei Jahre stattfindende „Leonardino-Contest“ mit dem ersten Technikpreis für Kinder, dem Leonardino Award. Er fand 2017 bereits zum fünften Mal statt. Zusätzlich gibt es seit dem Schuljahr 2014/15 eigene Leonardino Projektklassen. Die Ausweitung auf die „Leonardino-Projektklassen integrativ“, bei denen die Experimente ein fixer Bestandteil des Unterrichts sind, erfolgte ein Jahr später. Mit den sieben neuen Leonardino-Projektklassen von heuer gibt es bereits insgesamt 83 echte Forscherklassen an Wiener Volksschulen. Ziel ist es dabei, den Spaß an der Technik zu entdecken. So erwachsen aus kleinen Anstößen die ein oder anderen großen bionischen Entwicklerinnen und Entwickler von morgen. Willkommen in der bionischen Welt von Festo!

www.festo.at/bionic

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