Ziel der Initiative Bionic Learning Network ist es, durch die Bionik – dem Übertrag biologischer Prinzipien auf die Technik – neuartige Technologieträger und Serienprodukte hervorzubringen. So finden Forschungsaktivitäten rund um die Themen Funktionsintegration, Leichtbau, Selbstkonfiguration und maschinelles Lernen statt. Mit dem „BionicOpter“, dem „WaveHandling“ und dem „LearningGripper“ zeigt Festo wie Prinzipien aus der Natur in der Automatisierungstechnik Anwendung finden können.
Als weltweiter Anbieter von pneumatischer und elektrischer Automatisierungstechnik ist es die Kernkompetenz von Festo die Produktions- und Arbeitswelten der Zukunft mitzugestalten und seinen Kunden innovative Lösungen für Produktionssysteme von morgen und übermorgen anzubieten. „Nur so werden wir langfristig als kompetenter Partner mit höchster Problemlösungskompetenz gesehen“, betont Dr.-Ing. Heinrich Frontzek, Leiter Corporate Communication und Future Concepts. „Es gilt die komplexen Herausforderungen der Produktionsabläufe zu reduzieren und eine intuitive Steuerung der Maschinen und Anlagen zu gewährleisten. Visionäre Ansätze hierzu liefern die aktuellen Projekte aus dem Bionic Learning Network von Festo“, so Frontzek.
Inspiration Libellenflug
Nach der Entschlüsselung des Vogelflugs mit dem SmartBird im Jahr 2011 stellten sich die Entwickler im Rahmen des Bionic Learning Networks der nächsten, größeren Herausforderung – den Libellenflug technisch umzusetzen. Beim BionicOpter handelt es sich um ein ultraleichtes Flugobjekt. Genau wie das natürliche Vorbild kann der BionicOpter in alle Raumrichtungen fliegen und dabei komplizierte Flugmanöver ausführen. Durch die Fähigkeit, alle Flügel unabhängig voneinander zu bewegen, kann das Flugobjekt abrupt abbremsen und wenden, rasant beschleunigen und sogar rückwärts fliegen. Damit beherrscht ein Modell erstmals alle Flugzustände von Hubschraubern, Flugzeugen und sogar Segelfliegern. Dennoch lässt sich das hochintegrierte System einfach und intuitiv per Smartphone bedienen.
Ermöglicht wird das einzigartige Flugverhalten durch Leichtbau und Funktionsintegration: Bauteile wie Sensorik, Aktorik und Mechanik sowie Steuerungs- und Regelungstechnik sind auf engstem Raum verbaut und aufeinander abgestimmt. Software und Elektronik regeln die Flügelbewegung in Schlagfrequenz, Amplitude und Einstellwinkel – der Pilot muss nur die Libelle an sich lenken, nicht aber die komplexen Bewegungsabläufe koordinieren.
Der konsequente Ultraleichtbau ist dabei im ganzen Flugobjekt umgesetzt. Bei einer Flügelspannweite von 63 cm und einer Körperlänge von 44 cm wiegt die künstliche Libelle lediglich 175 g. Die Flügelkonstruktion besteht aus Kohlefaserrahmen und einer dünnen Folienbespannung. Mit ihrer intelligenten Kinematik gleicht sie Flugvibrationen aus und sichert einen stabilen Flug. Um das Flugobjekt zu stabilisieren, werden während des Flugs permanent die Daten von Flügelposition und Flügeldrehung in Echtzeit erfasst und ausgewertet.
Modulares Förderband: Befördern und Sortieren in einem
Mit dem pneumatisch betriebenen Förderband WaveHandling haben Ingenieure des Bionic Learning Network von Festo ein modular zusammensteckbares System entwickelt, das eine Oberfläche so bewegen kann, dass Gegenstände gezielt transportiert und sortiert werden. Durch die Integration der Sortierfunktion ist eine zusätzliche Handhabungseinheit für diesen Vorgang nicht mehr notwendig. Eine Vielzahl von Balgmodulen verformt dabei die Oberfläche so, dass die Objekte durch eine Wellenbewegung zielgerichtet befördert werden.
Inspiration für dieses Prinzip lieferte die natürliche Welle. Streicht der Wind über eine glatte Wasseroberfläche entstehen erste kleine Wellen, die durch weitere Lufteinflüsse zu großen Wogen anwachsen. Dennoch bewegt sich das Wasser im Meer nicht fort. Die Wassermoleküle innerhalb einer Welle bewegen sich lediglich auf einer Kreisbahn auf und ab, bleiben im Prinzip aber immer an der gleichen Stelle. Trotzdem rollt die Welle über die Meeresoberfläche. Ähnlich verhält es sich beim WaveHandling: Während jeder einzelne Faltenbalg nur auf der Stelle aus- und einfährt, schiebt sich eine Welle über die Fläche des Förderbands.
Die einzelnen Module konfigurieren sich selbst. Damit lässt sich das System schnell und ohne Programmieraufwand in unterschiedlichen Anordnungen in Betrieb nehmen. Vorstellbar ist ein Einsatz der Plattform in der Lebensmittelbranche, wenn es darum geht empfindliche Gegenstände wie Obst und Gemüse selbstständig zu transportieren und für den weiteren Prozess zu sortieren. Mit dem Transportsystem WaveHandling demonstriert Festo schon heute, wie in Zukunft die Konfiguration eines Systems von den einzelnen Modulen selbst übernommen werden kann.
Selbstlernender Greifer: LearningGripper
Der LearningGripper ist ein Greifer mit vier Fingern, der in abstrahierter Weise einer menschlichen Hand entspricht. Die vier Finger des Greifers werden mittels zwölf Niederdruck-Balgaktoren pneumatisch angetrieben. Das Besondere an dem bionischen Greifer ist die Lernfähigkeit. Verantwortlich hierfür sind Lernalgorithmen, die eine hochkomplexe Programmierung ersetzen.
Mithilfe des sogenannten Machine-Learning-Verfahrens, einem Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz, ist der Greifer in der Lage eine komplexe Aufgabe, wie das Greifen und Orientieren einer Kugel selbst zu erlernen. Konkret stellt sich dem Greifer die Aufgabe, eine Kugel so zu drehen, dass eine ganz bestimmte Seite nach oben zeigt. Dabei eignet er sich aufgrund des Lernens durch Verstärken die entsprechenden Bewegungsabläufe an.
Mit diesem Prinzip könnten in Zukunft selbstlernende Systeme wie der LearningGripper in eine Produktionslinie eingebaut werden und dann eigenständig ihr Verhalten optimieren.
Festo, Tel.: 0711 347-1111, info_de@festo.com
Download Broschüren: BionicOpter, WaveHandling, LearningGripper
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