In der Bionik lösen Wissenschaftler technische Problemstellungen durch biologische Vorbilder. Prof. Rüdiger Hornfeck entwickelt mit seinem Team vom Institut OHM-CMP der TH Nürnberg in einem Forschungsprojekt einen technischen Gelenkmechanismus nach dem biologischen Vorbild eines Eulenhalsgelenks für intelligente und energieeffiziente Maschinen. Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz fördert das Vorhaben.
Energieeffiziente Dreh- und Schwenkbewegungen
Im Projekt Ein Eulenhalsgelenk für effizientere Maschinen entwickelt das Team der TH Nürnberg eine bionische Konstruktion, die für Gelenkroboter oder Handlingsgeräte für körperlich beeinträchtigte Menschen einsetzbar ist. Dreh- und Schwenkbewegungen sind Teil der Bewegungsabläufe in Gelenkrobotern oder in Baumaschinen wie Baggern und Kränen. Die bisherigen Baugruppen dieser Konstruktionen sind schwer und benötigen sehr viel Energie.
„In unserem Projekt erforschen wir, wie die Natur diese Dreh- und Schwenkbewegungen energieeffizient und ressourcensparend löst und wie wir diese Konstruktionsprinzipien auf intelligente, energieeffiziente, technische Systeme übertragen können“, erklärt Hornfeck. Eulen können ihren Kopf in beide Richtungen bis zu 270 Grad drehen, ohne ihre Blutbahnen abzudrücken. Ein Effekt, den das Forschungsteam einsetzt: Aus der Analyse der einzelnen Halswirbel hinsichtlich ihrer Bewegungsfreiheitsgrade leiten die Wissenschaftler technisch fertigbare Gelenke ab, die sie zu einem Funktionsmodell zusammensetzen.
Untersuchungen an Eulenskelettmodell
Für eine wirtschaftlich effiziente Fertigung setzt das Projektteam einen 3D-Drucker ein. Die Gelenke konstruieren die Forscher nach dem Vorbild der Eule materialsparend und unter Berücksichtigung der notwendigen Bauteilfestigkeit. Durch den Einsatz von miniaturisierten Aktuatoren wird der Energieaufwand im Betrieb gering gehalten. Das spart Ressourcen und Energie bei den Maschinen.
Das Forschungsteam arbeitet im Projekt eng mit dem Nürnberger Tiergarten und dem Bionicum Nürnberg zusammen. Durch die Zusammenarbeit können die Nürnberger Forscher Untersuchungen an einem Eulenskelettmodell vornehmen. Ergänzt werden die Ergebnisse durch bereits vorhandene biologische Untersuchungen an Eulen des Lehrstuhls und Instituts für Biologie II (Zoologie) der RWTH Aachen. Auf dieser Basis hat das Forschungsteam Computermodelle generiert und die Freiheitsgrade der drei Drehachsen erfasst.
Andere Roboter nach biologischen Vorbildern
Seit 2012 beschäftigt sich das Team unter der Leitung von Prof. Hornfeck mit der Erforschung von Gelenkmechanismen aus der Tierwelt für die Roboteranwendung. So entstand unter anderem der Ohm-Krabbler, ein Roboter für die Erkundung auf unwegsamem oder zerstörtem Gelände, der die Funktionsprinzipien einer Spinne nachbildet. Das bionische Eulenhalsgelenk ist eine sinnvolle Ergänzung zum laufenden Forschungsprojekt BioFlexRobot, in dem das Team einen bionischen, gelenkflexiblen Roboterarm für die Mensch-Maschinen-Kooperation entwickelt.
Das Projekt Ein Eulenhalsgelenk für effizientere Maschinen ist eines von sechs bionischen Forschungsprojekten, das das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz im Projektverbund BayBionik mit knapp 309.000 Euro fördert.
