Bionik - Greifsysteme in Natur und Technik


Referat (Handout), 2006
12 Seiten

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Greifsysteme in Natur und Technik

Referent:

Reinhard Bäckmann Dipl.-Ing. VDI

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Greifsysteme in Natur und Technik

1. Grundprobleme der Greiftechnik

Die menschliche Hand, von Aristoteles „das Werkzeug der Werkzeuge“ genannt, ist eines der höchstentwickelten Greifersysteme der Natur. Es erlaubt Bewegungen auf 27 verschiedenen Koordinaten..

Obwohl sich die Technik durch einen rasante Entwicklung zu künstlichen Sinnesorganen , menschlichen Händen, Rutschsensoren in Form künstlicher Haut bis hin zu so genannter künstlicher Intelligenz immer mehr zu anthropomorphen, d. h. menschenähnlichen Maschinen entwickelt, bewegen sich Forscher, Entwickler und Erfinder in eingefahrenen Gleisen, und nur wenige können sich von den anthropomorphen Vorstellungen lösen. Es wird krampfhaft und sklavisch versucht die biomechanische und sensorische Vorstellung der Hand in technische Lösungen umzusetzen.

Menschliche Hände sind so sehr unbewusstes Arbeitswerkzeug in der Umwelt, dass es erst tieferen Nachdenkens bedarf, um ihr universelle Leistungsfähigkeit wirklich zu erkennen und aus dieser Erkenntnis Konstruktionsmerkmale für Greifwerkzeuge zu entwickeln. Evolutionsgeschichtlich sind menschenähnliche Greifhände schon vor Millionen von Jahren bei dem Hominoiden nachgewiesen worden. Im Prozess der Entwicklung zum Menschen brachte eine solche Greifhand die Handfertigkeit und Möglichkeit der Geräteherstellung und verlieh dem Besitzer einen immer größeren Vorteil.

Diese uralten erworbenen Greifmuster sind im Gehirn gespeichert und stehen praktisch als Betriebsprogramm jederzeit zur Verfügung. Gleichzeitig ist der vom Menschen durchgeführte Greifprozess frei programmierbar, es wird gewissermaßen ein Anwendungsprogramm durch lebenslanges Lernen nachgeladen, wenn man diesen Vergleich aus der Computertechnik zur Hilfe nimmt. Dazu kommt die ungeheure sensorische Fähigkeit der Hand, die Kälte, Wärme, Schmerz, Vibration, Druck und Feuchtigkeit fühlen kann.

Die Menschenhand kann vom evolutorischen Standpunkt aus grundsätzlich verschiedene Arten von Griffen ausführen:

- Umfassende Griffe in der Weise, dass alle Finger gemeinsam oder einzeln gebeugt werden und einen dünnen Gegenstand umfassen.
- Umhüllende Griffe, die dadurch entstehen, dass die einzelnen Finger an der Basis gespreizt werden und nach dem Abknicken einen sphärischen Raum umhüllen. Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Gegenstände greifen und halten.
- Eine weitere Klasse von Griffen umfasst die Kontaktgriffe, die z. B. dem Aufstützen und Abstoßen dienen. Diese Griffe erlauben eine relativ große Auflagefläche der Innenfläche.
- Hinzu kommen die Hohlgriffe, bei denen die Hände gefäßartig geformt sind, z. B. für Schüttgüter.
- Für feinmotorische Tätigkeiten gibt es noch den Zangen- und den Spitzgriff, z. B. beim Schreiben.

Die weiteren über hundert möglichen technischen Griffe sind mehr oder weniger Abarten der natürlichen Grundgriffe und müssen erlernt und immer wieder trainiert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Greifsysteme der Natur

Unternehmen wir nun einen Ausflug in Botanik und Biologie, so erstaunt uns hier die Vielfalt natürlicher Greifwerkzeuge. Greifelemente finden wir bei Pflanzen z. B. als seilartige Fortsätze von Stacheln, die sich als Ranken festklammern, als Spiralen fest wickeln und eine elastische Verbindung herstellen. Pflanzensamen wie z. B. Kletten zeigen uns das Prinzip des Verhakens und Verkettens, wir finden hier bei Schuppen, Borsten, Dornen, Haken gut ausgebildete Harpunen, nur wenige Millimeter lang, exakt geformt, und mit scharfen Widerhaken gesetzt, wie sie die Technik nicht besser herstellen könnte. Oft sind Haarpolster mit Nadelgreifern gepaart, um auf variablem Weg die Verbindung sicherzustellen.

Bieten sich schon im botanischen Bereich eine Vielzahl von Greifelementen an, so ist im biologischen eine noch größere Anzahl von Konstruktionen vorhanden. Wirft man ein Greifproblem auf, so kann man sicher sein, dass die Lösung dazu in Hunderten von Varianten in der Biologie schon gegeben ist. Jeder Entwickler darf getrost annehmen, dass die Natur sehr viel mehr Lösungsverfahren anbietet als er selbst bei genauestem Durchdenken eines Fragenkomplexes vorschlagen könnte.

„Greifen“ ist nicht gleich „Greifen“, für die jeweils speziellen funktionellen Anforderungen sind in feinster Entsprechung spezielle strukturelle Details ausgebildet, und es werden auf vielfältige Weise einfache Grundstrukturen abgewandelt.

Nach dem Prinzip der Nadelgreifer arbeiten so unterschiedliche Elemente wie Insektenbeine oder Katzenkrallen. Manche Insekten arbeiten mit Zangen, die mit Nadeln bestückt sind. Bei einigen Fledermausgattungen findet man an den Sohlen und Daumen zusätzlich zu den gut ausgebildeten Saugscheiben noch Krallen. Interessantes ist auch beim Elefanten zu finden. Der Rüssel bildet gewissermaßen eine geschickte Hand, denn er kann saugen und hat unten an der Mündung einen ringförmigen Wulst mit einem oder zwei Rüsselfingern. Einzigartig ist bei der Stubenfliege der Greifmechanismus. Jeder Fuß endigt mit zwei winzigen Krallen, daneben befinden sich noch zwei Läppchen, die eine klebrige Flüssigkeit abscheiden, so dass der Fuß bekanntlich selbst auf Glas haftet, bei Laubfröschen ist dies noch zusätzlich mit Fingern und Zehen kombiniert. Das Prinzip Greifen durch Saugen wird besonders oft bei Tieren im Wasser beobachtet. Kräftige Saugnäpfe an Krakenarmen wirken als Sauger. Nach einem aktiven Prinzip arbeiten Seeigel und Seesterne. Wie bei einem aerostatischen technischen Greifelement wird über eine Pumpe das Saugmedium angesaugt, wobei regelrechte Ringleitungen ein Mehrfachsystem darstellen. Solche und ähnliche Haftmechanismen sind bei Süßwasserpolypen, Egeln und diversen Würmern – man möchte fast sagen: Stand der Technik. Die höchste Flexibilität natürlicher Greiforgane findet sich bei Laubfröschen, den Koboldmakis und dem afrikanischen Gecko. Die handähnlichen Fingergreifer sind von Prinzip her schon universell und flexibel. Werden sie noch zusätzlich durch weitere Prinzipien unterstützt, erhält man die bestentwickelte Form von Greifinstrumenten für variable Aufgaben.

Sehr viel einfacheren mechanischen Greifern, also Zangengreifern, gleichen zahlreiche Fangwerkzeuge, wie bei der Libelle oder dem Ameisenlöwen. Auch Krebse, Langusten, Hummer und zahlreiche Insekten zeigen diese Zangen sehr offenkundig. Greifsysteme nach dem Zangenprinzip dürfen keinesfalls unterschätzt werden, denn viele Vogelarten bauen ihre Nester im Wesentlichen mit dem Schnabel, während sie sich mit dem Krallen lediglich an den Zweigen festhalten. Besondere Kunstfertigkeit findet sich bei den Webervögeln. Dieser Vogel baut sein Nest aus fest miteinander verwobenen Fäden, Fasern und Haaren, und näht es zwischen zwei Blättern regelrecht ein.

Hände und Fingergreifer besitzen nicht nur der Mensch, sondern auch viele Affenarten und Halbaffen. Nicht vergessen darf man dabei die Klasse der Nagetiere, wie Eichhörnchen oder Mäuse. Das Vorhandensein von Fingern und Händen zeichnet mehr den Generalisten für Greifprobleme aus, während andere Greifelemente mehr auf die spezielle Aufgabe abgestimmt sind.

Wie muss eigentlich ein Greifsystem konkret beschaffen sein, damit es möglichst universell eingesetzt werden kann? Universalität heißt doch auch mehr Flexibilität. Dieser Frage ist der Greifforscher v. Muldau schon vor 30 Jahren nachgegangen und hat dabei festgestellt, dass eine Hand mit einer Fläche und einem beweglichen Finger etwa ein Zwanzigstel der Griffe bewältigen kann. Verwendet man zwei bewegliche Finger, dann erweitert sich die Greifmöglichkeit auf 40 %. Fügt man einen dritten frei beweglichen Finger hinzu, so kann man fast 90 % erreichen – mit der Vierfingerhand 99 %. Es zeigte sich bei v. Muldaus Versuchen also, dass bereits mit drei Finger die hauptsächlichen Greifaufgaben zu bewältigen sind.

3. Roboter – technische Greifsysteme

Zu Beginn der Robotertechnik und automatisierter Handhabung wurde diese Erkenntnis ausgenutzt und mit einfachen Fingergreifersystemen gearbeitet. Die wirkliche Komplexität der Beziehungen der Greiftechnik zur Handhabungsautomation wurde jedoch erst in den letzten Jahren in der vollen Bedeutung erkannt, denn die Frage einer Handlinganalyse lautet immer:

- Lässt sich das Werkstück oder der Gegenstand überhaupt automatisch greifen?
- Wenn ja, mit welcher Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit?

Die systematische Untersuchung des technischen Greifvorgangs lässt erkennen, dass dieser zerfällt in

- Herstellen eines Greifkontaktes zwischen Greifobjekt und Greiforgan,
- Vereinzeln und Spannen oder Halten des Objektes
- zweckentsprechende Manipulation des Objektes mit Hilfe des Greifsystems.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Auseinandersetzung mit den verschiedenen technischen Greifersystemen ist deshalb notwendig, da diese die vorstehenden Aufgaben technisch sinnvoll lösen müssen.

Die Ordnung der Greifer kann nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten erfolgen. So ergibt sich nach der Art des Ergreifens des Werkstücks eine Einteilung in Außen- und Flächengreifer. Nach der Anzahl der gegriffenen Werkstücke werden Einzel- und Mehrfachgreifer unterschieden.

Wesentlicher Gesichtspunkt zur Ordnung der Greifer ist die Art ihrer Greiforgane, die aus dem physikalischen Prinzip des Greifens, Haltens und Abgebens resultiert. Danach ergibt sich folgende Ordnung der Bauformen:

- Zangengreifer
- Fingergreifer
- Reibungsgreifer
- Nadelgreifer
- Saugergreifer
- Adhäsionsgreifer
- Magnetgreifer
- und auch noch auf anderen physikalischen Effekten beruhende Greifertechniken; diese können auch kombiniert vorkommen.

Bei den Mehrfachgreifern, die zum Greifen mehrerer Werkstücke dienen, werden

- Verbundgreifer zum Handhaben mehrerer gleicher oder verschiedenartiger Werkstücke gleichzeitig und
- Folgegreifer zum Handhaben mehrerer meist verschiedener Werkstücke nacheinander unterschieden.

Die Mehrfachgreifer sind im allgemeinen Kombinationen oder Integrationen von Einzelgreifern.

Verbundgreifer werden meist zur Senkung der Handhabungszeiten, z. B. beim Werkstückwechsel, eingesetzt. Bei den Doppelgreifern entnimmt beispielsweise der eine Zangengreifer des Verbundgreifers das bearbeitete Werkstück aus der Maschine und der andere übergibt das unbearbeitete der Maschine.

Die wesentlichen Merkmale neuer technischer Greifsysteme sind ihre Tastfähigkeit. Beispielsweise sind Greiferfinger mit Sensorsystemen versehen. Mit diesen Sensorgreifern ist es möglich, die Roboterarme so zu bewegen, dass das zu greifende Objekt vor dem Zufassen des Greifers exakt zwischen den Greiferpositionen liegt. Mit geringem weiteren Schaltungsaufwand können die Teile auch mit vorgegebener Haltekraft festgehalten werden, man spricht hier von intelligenten Greifern, meint aber eher Fortschritte in Richtung

- Materialvariabilität
- Formvariabilität
- Operationsvariabilität
- sowie darüber hinaus heute auch Mobilität.

4. Bionische Greiferoptimierung

Technische Greifsysteme sind einem kurzfristigen Marktdruck unterworfen – biologische einem langfristigen Evolutionsdruck. Damit haben die technischen Greifsysteme nicht annähernd die Chance, sich optimal heraus zu bilden gegenüber den durch die biologische Evolution entwickelten Greifsystemen.

Gleichzeitig aber kann die biologische Evolution bestimmte technische Greifsysteme nicht entwickeln, da z. B. diese Greifaufgabe in der Natur so nicht existiert, wie das Handhaben von heißen Glas- oder Metallteilen.

Chancen für die gezielte bionische Optimierung von Greifsystemen liegen jedoch in dem Bereich der Schnittmenge von technischer und natürlicher Greifaufgabe, d. h. in einem Feld, in dem sich die Greifaufgaben gleichen, ähneln oder invers zueinander verhalten.

Man wendet dabei so genannte Evolutionsstrategien an, wobei

- das biologische Evolutionsprinzip modelliert wird
- und die Algorithmen dann zur Lösung des technischen Optimierungsproblems verwendet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Bionik ist die Wissenschaft von Systemen, deren Funktionsweisen Nachbildungen von Funktionsweisen der Natur darstellen, die spezifische Merkmale natürlicher Systeme aufweisen oder auch den natürlichen Systemen analog zu setzen sind“. (nach Steel)

Betrachtet man die Entwicklung von Greifhänden bis zur Menschenhand mit den Augen eines Technikers als Beispiel für eine Strukturentwicklungsreihe, dann drängt sich unwillkürlich ein Vergleich mit ähnlichen Reihungsprinzipien technischer Greiferentwicklung auf. Dies wird besonders deutlich bei der Entwicklung anthropomorpher Greifsysteme, also vom einfachen Zangenprinzip zur Kunsthand.

Der Techniker kann sinnvoll von der Bionik lernen, wenn er die Evolutionsmechanismen anwendet,

- wie Erzeugung zufälliger Variationen und Mutationen bestehender Greifsysteme
- und die Aussonderung unvorteilhafter Variationen durch Selektion.

Die bionische Methode kann also Greifsysteme erzeugen mit Merkmalen, die es bisher nicht gibt oder anthropomorphe entwickeln mit geringem Aufwand, aber sehr effizienten Merkmalen und Wirkungen. Hieran wird weltweit gearbeitet, wie aktuelle Datenbankrecherchen zeigen.

Allerdings besteht der Nutzen des Studierens natürlicher Greifelemente im Vergleich mit technischen Systemen besteht sicher nicht darin, die tausende Greifmechanismen der Natur nachzuerfinden, nachzubilden und zu simulieren. Wenn intelligente Greifsysteme erfolgreich eingesetzt werden sollen, dann darf ihnen eigentlich nur das natürliche Prinzip der optimalen Zweckmäßigkeit zugrunde liegen.

In der Robotertechnologie beschreitet man schon diesen Weg, wie weit er sich aber im orthopädischen Bereich umsetzen lässt, bleibt sicher dem individuellen Problemfall vorbehalten, denn hier entscheidet nicht nur die Funktionalität, sondern auch die Ergonomie, Physiologie, Psychologie und Ästhetik.

Stand: März 2006

Literatur:

R. Bäckmann: Handhaben und Greifen in Technik und Natur. 1987, Zollikofer Verlag, St. Gallen/Schweiz

12 von 12 Seiten

Details

Titel
Bionik - Greifsysteme in Natur und Technik
Veranstaltung
Weltkongress Orthopädie und Rehatechnik Leipzig 2006
Autor
Jahr
2006
Seiten
12
Katalognummer
V111377
Dateigröße
354 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Bionik, Greifsysteme, Natur, Technik, Weltkongress, Orthopädie, Rehatechnik, Leipzig
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Reinhard Bäckmann (Autor), 2006, Bionik - Greifsysteme in Natur und Technik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/111377

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