24/03/2015

Universität des Saarlandes

Künstliche Hand zeigt Feingefühl mit Muskeln aus intelligentem Draht

Nach dem Vorbild der Natur haben Ingenieure der Universität des Saarlandes eine künstliche Hand mit Muskeln aus Formgedächtnis-Draht ausgestattet. Die neue Technik macht flexible und leichte Roboterhände für die Industrie ebenso möglich wie neuartige Prothesen. Die Muskelstränge bestehen aus Bündeln haarfeiner Nickel-Titan-Drähte, die anspannen und entspannen können. Das Material selbst hat Sensoreigenschaften, so dass die künstliche Hand äußert präzise Bewegungen ausführen kann. Mit ihrem Prototyp demonstriert die Forschergruppe von Professor Stefan Seelecke die Funktion der „Formgedächtnis-Muskeln“.

Die Hand ist das perfekte Werkzeug. Nach Jahrmillionen ist ihr „Design“ ausgereift. Sie ist außerordentlich beweglich und anpassungsfähig, das Zusammenspiel von Muskeln, Bändern, Sehnen, Knochen und Nerven ist vollkommen, was seit langem den Wunsch weckt, ein flexibles Werkzeug nach ihrem Vorbild zu schaffen. Das Forscherteam von Professor Stefan Seelecke an der Saar-Universität und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik setzt hierzu ein neues Verfahren ein, das auf dem Formgedächtnis der Legierung Nickel-Titan beruht: Die Ingenieure geben der Hand Muskeln aus haarfeinen Drähten, die anspannen und entspannen können.

„Die Formgedächtnis-Drähte bringen entscheidende Vorteile gegenüber anderen Verfahren“, sagt Stefan Seelecke. Bisher brauchen künstliche Hände, etwa solche, die in Fertigungsstraßen im Einsatz sind, viel Technik im Hintergrund: Sie sind abhängig von weiteren Gerätschaften wie Elektromotoren oder Druckluft, sind schwer, recht unflexibel, zuweilen laut und auch teuer. „Demgegenüber kommen Werkzeuge mit künstlichen Muskeln aus Formgedächtnis-Draht ohne weitere Apparaturen aus, was sie leicht, flexibel und anpassungsfähig macht. Sie arbeiten geräuschlos und sind vergleichsweise günstig herzustellen. Und diese Drähte haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen; sie können also auf kleinem Raum kraftvolle Bewegungen ausführen“, erklärt Seelecke. Formgedächtnis bedeutet dabei, dass der Draht sich an seine Form „erinnert“ und diese wieder annimmt, nachdem er verformt wurde. „Diese Eigenschaft der Nickel-Titan-Legierung beruht auf Phasenumwandlungen: Wird der Draht warm, etwa wenn Strom hindurchfließt, wandelt sich seine Gitterstruktur um, und er zieht sich wie ein Muskel zusammen“, erläutert Seelecke.

Die Ingenieure ersetzen in ihrer künstlichen Hand die Muskeln durch „intelligente“ Drähte. Mehrere Drahtstränge verbinden die Fingerglieder und übernehmen an der Finger-Vorderseite die Beuge-Muskulatur und an der Rückseite die Streck-Muskulatur. Um schnelle Bewegungen zu ermöglichen, haben die Forscher nach dem Vorbild des menschlichen Muskelaufbaus mehrere der haarfeinen Drähte wie Muskelfasern gebündelt: Das Drahtbündel ist fein wie ein Faden, aber in seiner Zugkraft genauso stark wie ein dicker Draht. „Das Bündel kann sich schnell verkürzen und wieder lang werden und das bei hoher Zugkraft“, erklärt Ingenieurin Filomena Simone, die als Doktorandin am Prototyp der künstlichen Hand arbeitet. „Der Grund dafür liegt in der schnelleren Abkühlung. Mehrere Drähte geben durch die größere Oberfläche auch mehr Wärme ab. Anders als ein dicker Draht erreicht das Bündel schnelle Kontraktionen, die denen von menschlichen Muskeln gleich kommen. So wird eine schnelle und fließende Bewegung der Finger möglich“, erläutert sie.

Weiterer Effekt der Drähte: Die Hand reagiert gefühlvoll, wenn jemand in ihre Bewegungsabläufe eingreift. Menschen können daher mit ihr buchstäblich Hand in Hand zusammenarbeiten. Mithilfe einer Steuerung – ein Halbleiterchip enthält hierfür alles Notwendige – lassen sich im Zusammenspiel mehrerer Drähte präzise Bewegungen ausführen. Das System kommt dabei ganz ohne Sensoren aus. „Das Material der Drähte selbst hat Sensoreigenschaften. Die Steuerungseinheit erkennt anhand der Messdaten des elektrischen Widerstandes zu jeder Zeit die genaue Position der Drähte“, sagt Seelecke. Dies ermöglicht, Hand und Finger auf den Punkt genau zu bewegen. Auf der Hannover Messe zeigen die Forscher ihren Prototypen und demonstrieren mit Bewegungsabläufen einzelner Finger und Greif-Beispielen das Potenzial der Technologie. In Zukunft soll der Prototyp die menschliche Hand immer genauer nachbilden. Hierzu werden die Forscher die Bewegungsmuster modellieren und die Sensoreigenschaften des Drahts nutzen.

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