Künstliche Tentakel und Elefantenrüssel für den OP

HANNOVER. Ob Menschenarm oder Robotergreifer – der Beweglichkeit dieser Gliedmaßen sind Grenzen gesetzt. Eher sperrige Gelenke verbinden unbiegsame Knochen oder Bauteile, Bewegungen lassen sie nur in bestimmte Richtungen zu.

Dagegen haben Elefantenrüssel oder Krakenarme mehr an Gewandtheit zu bieten. Durch zehntausende Muskeln können die Tiere sie nach Bedarf in alle Richtungen schlenkern, gezielt verbiegen und damit äußerst kraftvoll zupacken.

An ihrem Beispiel haben sich Ingenieure der Universität des Saarlandes orientiert: Sie entwickeln im Zuge eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes Roboterarme, die ohne Gelenke und starres Bauteil-Skelett auskommen, dafür aber ebenso verformbar wie leicht sind – und überaus wendig agieren können.

Im Rahmen der Hannover Messe präsentieren die Forscher ihre Prototypen vom 1. bis 5. April am saarländischen Forschungsstand (Halle 2/Stand B46) – sie suchen Partner für Weiterentwicklungen.

Tentakel mit Zusatz-Funktionen

Professor Stefan Seelecke, Inhaber des Lehrstuhls für intelligente Materialsysteme und sein Team forschen gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Darmstadt an dünnen, präzise steuerbaren künstlichen Tentakeln. Diese könnten in Zukunft, so die Vision, in der Medizin als Führungsdraht bei Herz-Ops oder als Endoskop bei Magen- und Darmspiegelungen zum Einsatz kommen.

Dafür statten die Forscher die Tentakeln nach Uniangaben mit zusätzlichen Funktionen aus, etwa einer versteifbaren Spitze für Stoßbewegungen oder einem Greifer. Im großen Stil funktioniere die Technologie ebenso: Auch große Roboter-Rüssel seien möglich, die Technik sei skalierbar.

Dreh- und Angelpunkt seien die künstlichen Muskeln, die das Forscherteam seinen Roboterarmen verleiht. Die Muskelstränge bestünden aus haarfeinen Drähten aus Nickel-Titan, die anspannen und entspannen können. Sie kontrahierten wie echte Muskeln, je nachdem ob Strom fließt oder nicht.

„Die Legierung Nickel-Titan besitzt ein 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“, erläutert Seelecke.

Sein Team bündle die 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“, ergänzt er.

Hochpräzise steuerbar

Bei ihren Roboter-Armen verbinden die Ingenieure die Drahtstränge als Beuge- und Streck-Muskulatur, so dass 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“, verdeutlicht Paul Motzki, der über die Formgedächtnis-Drähte seine Doktorarbeit geschrieben hat.

Im Gegensatz dazu sei die Tentakel hochpräzise steuerbar und könne als Werkzeug mehrere Funktionen erfüllen, etwa mit ihrer Spitze stoßen. Die Forscher modellierten und programmierten hierzu Bewegungsmuster zur Steuerung auf einen Halbleiterchip.

Das System komme dabei völlig ohne Sensoren aus, die Drähte liefern selbst alle nötigen Daten. Anders als heute übliche Roboterarme, die auf Elektromotoren, Druckluft oder Hydraulik angewiesen sind, arbeiten die Roboterarme der Saarbrücker Forscher völlig unabhängig. Alles, was die Drähte benötigen, ist Strom. (maw)