Smart Inversion: Würfel fliegt, indem er sich umstülpt
Sanft schwebt das komplexe Gebilde unter der Decke. Es faltet sich auf eine ungewohnte Weise, stülpt sich um und bewegt sich so langsam vorwärts. Das Gebilde sei ein Würfelgürtel, es entstehe, wenn von einem Würfel zwei Ecken entfernt würden, erklärt Tobias Langscheid dem staunenden Publikum am Stand des schwäbischen Unternehmens Festo(öffnet im neuen Fenster) auf der Hannover Messe (Halle 15, Stand D07). Entdeckt habe das Prinzip des sich umstülpenden Würfels(öffnet im neuen Fenster) 1929 sein Großvater, der Schweizer Künstler und Wissenschaftler Paul Schatz(öffnet im neuen Fenster) .
Dritte Bewegung
Smart Inversion(öffnet im neuen Fenster) hat Festo den schwebenden Würfelgürtel genannt – nach der Bewegungsform, die Schatz Inversion oder Inversionskinematik genannt hat. Damit wolle das Unternehmen zum Nachdenken anregen, erklärt Festo-Sprecherin Pamela Berner im Gespräch mit Golem.de. Ziel sei, neben den bekannten Bewegungsformen der Translation, also einer geradlinigen Bewegung, und der Rotation, also der Drehung, eine weitere Bewegungsform für industrielle Prozesse nutzbar zu machen.
Der Würfelgürtel besteht aus sechs Prismen mit einer Kantenlänge von je rund 1,80 Metern, die aus je sechs Kohlefaserstäben aufgebaut sind. Jedes Prisma ist mit einer durchsichtigen Membran umhüllt, die von Schotten in Form gehalten wird. Rund 4,5 Meter misst der aufgefaltete Würfel – dabei wiegt die Leichtbaukonstruktion gerade mal 2,3 Kilogramm. In der Schwebe gehalten wird er von seiner Füllung: Im Inneren der Komponenten befinden sich rund 2.100 Liter Helium, die genug Auftrieb erzeugen, dass der Würfelgürtel in der Luft bleibt.
Pulsierende Bewegung
Das Bewegung des Umstülpens entsteht, indem sich die Prismen um ihre Längsachse drehen. So entsteht eine unendlich pulsierende Bewegung. Vier Phasen hat eine solche Umstülpung: Zuerst öffnet sich das Zentrum und wird zu einem mit der Spitze nach unten stehenden Dreieck. In den folgenden zwei Phasen schließt sich das Dreieck jeweils. Vortrieb wird allerdings nur in den ersten beiden Phasen erzeugt. In Phase drei und vier hingegen bewegt sich der Würfelgürtel nicht.
Als Antrieb dienen drei Servomotoren. Um diese komplexe Bewegung zu erzeugen, liefen die Motoren unterschiedlich, erklärt Agalya Jebens, die an der Entwicklung des Würfelgürtels beteiligt ist. Jeweils zwei Motoren liefen vor, der dritte hingegen laufe nach und bewege sich entgegengesetzt. So erzeugten die Motoren eine fortlaufende Bewegung ohne einen toten Punkt.
ARM-Prozessor und Sensoren
Gesteuert wird die Umstülpung von einer Onboard-Unit mit einem Mikrocontroller LM3S5749 von Texas Instruments, der mit einem ARM-Kern arbeitet. Auf der Onboard-Unit ist das mathematische Modell für die Bewegung hinterlegt. Hinzu kommen Sensoren wie ein Magnetometer und ein Accelerometer. Den Strom für Mikroprozessor, Sensorik und Motoren liefert ein Lithium-Polymer-Akku mit einer Kapazität von 450 mAh. Mit einer Akkuladung kann der Würfel etwa 20 bis 30 Minuten lang schweben. Während des Fluges überwacht eine Software den Zustand des Systems. In Echtzeit werden Daten wie Batterieladezustand und Stromverbrauch erfasst.
Bedient wird Smart Inversion über eine Smartphone-App: Darüber können Daten über das Flugobjekt wie den Gasdruck abgerufen oder dessen Lichter eingeschaltet werden. Über die App wird der Würfelgürtel auch gesteuert. Der Nutzer gibt die Richtung, in die der Würfel fliegen soll, vor, indem er das Smartphone in die entsprechende Richtung neigt.
Aquajelly, die robotische Qualle
Die App ist allerdings in keinem Appstore zu haben – im Gegensatz zu der App für die Roboterqualle Aquajelly(öffnet im neuen Fenster) : Nutzer eines Android-Smartphones können diese kostenlos aus dem Google Market herunterladen(öffnet im neuen Fenster) und auf ihrem Gerät installieren. Auf der Hannover Messe (Halle 26, Stand B23) können sie dann über WLAN Daten der robotischen Quallen abrufen.
Die Aquajellys hat Festo bereits 2008 auf der Messe präsentiert. Es sind autonom agierende Roboter, die einer Qualle nachgebildet sind. Sie bestehen aus einer durchsichtigen Halbkugel, unter der ein Ausleger befestigt ist. Darauf sitzt ein lasersinterter Druckkörper, in dem die Motoren und die Steuerelektronik untergebracht sind.
Quallenschwarm
Zweck der Aquajellys sei, Schwarmverhalten zu simulieren, erläutert Kristof Jebens, Geschäftsleiter von JN Tec(öffnet im neuen Fenster) , der an der Entwicklung der Aquajellys ebenso wie an weiteren Festo-Projekten beteiligt war. Mehrere der Roboter schwimmen in einem Wassertank. Damit sie nicht zusammenstoßen und sich verheddern, kommunizieren sie per Funk über den Standard Zigbee und mit Infrarot miteinander.
Für die Infrarotkommunikation verfügen Aquajellys über elf Infrarotleuchtdioden (LED), die in der Halbkugel angebracht sind. Die LEDs senden Lichtpulse aus, die die anderen Quallen empfangen. Mit den Dioden können die Quallen über eine Entfernung von etwa 80 Zentimetern miteinander kommunizieren. Erkennt beispielsweise ein Aquajelly anhand der Pulse, dass sich ihm ein zweiter nähert, weicht er diesem aus.
Tentakeln und Greifer
Aquajelly schwimmt mit Hilfe von acht Tentakeln, die von zwei Hubtellern bewegt werden. Ein Motor treibt diese über Kurbeln an. Gelenke wandeln die Hubbewegung der Teller in die eleganten wellenförmigen Bewegungen der Tentakel. Diese bestehen aus sogenannten Finrays, die dem Prinzip von Fischflossen nachgebildet sind. Darauf basierend ist später der Fingripper entstanden, ein Greifer, der sich der Form des Gegenstandes, den er fasst, anpasst.
Die Qualle lenkt mit Hilfe einer Scheibe mit vier Auslegern, an deren Ende jeweils ein kleines Gewicht befestigt ist. Zwei Servomotoren bewegen diese Taumelscheibe. Durch Gewichtsverlagerung ändert sie ihre Richtung.
Feuchtigkeitssensor für alle Fälle
Zur Steuerung verfügt ein Roboter über vier Prozessoren. Einer übernimmt die Steuerung der Motoren, je einer ist für die Kommunikation per Infrarot und Funk zuständig und der vierte schließlich erzeugt die Lichtsignale der LEDs. Außerdem verfüge ein Aquajelly noch über mehrere Sensoren, sagt Jebens: Ein Drucksensor dient dazu, die Tauchtiefe zu bestimmen, ein Ladesensor überwacht den Akku. Hinzu kommen ein Temperatursensor, ein Kompass und schließlich ein Feuchtigkeitssensor – für den Fall, dass der Druckkörper doch nicht hundertprozentig dicht ist.
Mit Hilfe der App kann der Nutzer verschiedene Parameter der Roboter abfragen. So sieht er etwa, wie warm das Wasser in dem Tank ist oder welcher Wasserdruck gerade herrscht. Das gehe allerdings nur am Messestand, sagt Jebens: Die Aquajellys funken die Daten per Zigbee an einen Computer, der sie über WLAN an das Smartphone überträgt.
Bionische Demonstratoren
Das in Esslingen ansässige Unternehmen präsentiert jedes Jahr auf der Hannover Messe einen Demonstrator, der im Rahmen des Bionic Learning Network(öffnet im neuen Fenster) entwickelt wird. Ziel dieses Projekts, an dem neben Festo noch weitere Unternehmen und mehrere Forschungseinrichtungen, darunter auch das Massachusetts Institute of Technology, beteiligt sind, ist die Entwicklung effizienter technischer Systeme nach dem Beispiel der Natur.
Auf der Messe 2011 brachten die Schwaben den Smart Bird , einen Robotervogel, der wie sein natürliches Vorbild fliegen kann. Im Jahr davor präsentierte Festo den Bionischen Handling-Assistenten , einen pneumatisch betriebenen Roboterarm nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels.
Aufmerksamkeit durch Bionik
Natürlich geht es dem Unternehmen auch darum, mit Bionik die Aufmerksamkeit von Kunden zu gewinnen. Ziel sei aber auch, eine Diskussion darüber anzuregen, Konstruktionen anders zu begreifen, erklärte ein Festo-Sprecher 2011 im Gespräch mit Golem.de . Das schafft das Unternehmen sicher auch mit Smart Inversion wieder.
Eine mögliche Anwendung für eine Inversion sei ein Oloid(öffnet im neuen Fenster) als Mischer für die Wasserwirtschaft, erzählt Berner. Für weitere Anwendungen sei der wissenschaftliche Nachwuchs gefragt: Festo und der Rat für Formgebung(öffnet im neuen Fenster) haben einen Wettbewerb ausgeschrieben(öffnet im neuen Fenster) : Ingenieurs- und Designstudenten sollen industrielle Anwendungen für die Inversion ersinnen. Die Siegerentwürfe werden 2013 auf der Hannover Messe präsentiert. Für den 1. Platz sind 10.000 Euro ausgelobt. Platz 2 ist mit 7.000 Euro, die Plätze 3 bis 5 mit jeweils 5.000 Euro dotiert.