Draht mit Formgedächtnis: Künstliche Hand hat Muskeln fast wie ein Mensch
Flexible, leichte und billigere Robotergreifer sollen mit einer neuen Entwicklung der Universität des Saaralandes ebenso möglich sein wie neuartige Prothesen: Die künstliche Hand kann dank haarfeiner Drähte, die nach Verformung in ihren Ursprungszustand zurückkehren, präzise und kraftvolle Bewegungen ausführen.
Die Ingenieurin Filomena Simone mit dem Prototypen der künstlichen Hand: Dünne Drähte mit Formgedächtnis ermöglichen filigranere Konstruktionen als bisherige dickere Drähte.
Foto: Oliver Dietze/Universität des Saarlandes
Der Prototyp sieht tatsächlich schon fast wie eine Hand aus: Fünf Finger mit zwei bis drei Gliedern, auf deren Kuppen so etwas wie genoppte Fingerhütchen sitzen. Das Vorbild der Natur spielt eben eine große Rolle bei der Entwicklung am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik der Saar-Uni.
Drähte erinnern sich an ihre ursprüngliche Form
Die Optik ist dabei allerdings zunächst weniger wichtig als die Funktion, denn im Inneren sitzen Bündel haarfeiner Drähte aus einer Nickel-Titan-Verbindung. Und deren besondere Eigenschaft ist, dass sie ein Formgedächtnis besitzen: Wenn sie verformt wurden, „erinnern“ sie sich an ihre ursprüngliche Form und kehren in diese zurück. Das funktioniert durch Phasenumwandlungen, im Prinzip also nur über den Wechsel von Wärme und Abkühlung.
Damit ist es möglich, dass die Hand präzise gesteuerte Bewegungen ausführt. So weit reichen allerdings auch die Fähigkeiten herkömmlicher Robotergreifer, wie sie in der Industrie längst im Einsatz sind. Der Clou an der Erfindung der Saarländer ist, dass die Bündel aus feinen Drähten im Gegensatz zu dicken Leitungen viel mehr Flexibilität und Feingefühl ermöglichen. Das Material selbst hat zudem Sensoreigenschaften, so dass zusätzliche Messfühler für die Orientierung im Raum nicht mehr notwendig sind.
Keine weiteren Geräte notwendig
„Die Formgedächtnis-Drähte bringen entscheidende Vorteile gegenüber anderen Verfahren“, sagt Professor Stefan Seelecke, Leiter des Forscherteams. Bisher bräuchten künstliche Hände, etwa solche, die in Fertigungsstraßen im Einsatz sind, viel Technik im Hintergrund: Sie seien abhängig von weiteren Gerätschaften wie Elektromotoren oder Druckluft, seien schwer, recht unflexibel, teils laut und auch teuer.
Prof. Stefan Seelecke von der Universität des Saarlandes: Drähte mit Formgedächtnis sind ideal zur Konstruktion einer künstlichen Hand.
Quelle: Oliver Dietze/Universität des Saarlandes
„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“, erklärt Seelecke.
Weiterer Vorteil: „Die Drähte haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen; sie können also auf kleinem Raum kraftvolle Bewegungen ausführen“, so der Forscher.
Fließende Bewegung durch schnelle Kontraktion
Doktorandin Filomena Simone, die an der Entwicklung mitarbeitet, erklärt den Vorzug der Bündel aus feinen Drähten gegenüber einem einzigen dicken Draht: „Das Bündel kann sich schnell verkürzen und wieder lang werden und das bei hoher Zugkraft. Der Grund dafür liegt in der schnelleren Abkühlung. Mehrere Drähte geben durch die größere Oberfläche auch mehr Wärme ab.“ Durch die schnelle Kontraktion und Entspannung sei eine fließende Bewegung möglich, die der menschlichen Hand sehr nahekomme.
Wie weit die Entwicklung gediehen ist, wird eine Gruppe aus Ingenieuren vom 13. bis 17. April auf der Hannover Messe demonstrieren. Die Forscher wollen hier auch um Partner für die Weiterentwicklung werben, denn in ferner Zukunft könnte die künstliche Hand nach ihrer Vorstellung auch als Prothese für Menschen dienen, die sich präzise und fein steuern lässt und dafür nur einen kleinen Halbleiterchip als Befehlsgeber braucht.
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