Es gibt drei Arten von Elefanten: den Afrikanischen, der leider nicht zu zähmen ist, sowie den Indischen Elefanten, der ist ein wichtiges Arbeitstier auf dem Subkontinent, das mit seinem Rüssel schwerste Lasten transportiert. Erst kürzlich entdeckt wurde der Esslinger Elefant: Er besteht nur aus Rüssel ohne Beine und ernährt sich ausschließlich von Druckluft.
Was die Kraft angeht, ist er seinem indischen Verwandten unterlegen, nicht jedoch in Sachen Beweglichkeit und Präzision: Sein Rüssel biegt sich um 180 Grad und kann sich gleichzeitig in zwei völlig unterschiedliche Richtungen krümmen.
Ist ein Gegenstand außer Reichweite, genügt ein Druckluftstoß, um den Rüssel in Sekundenbruchteilen von 70 auf 110 Zentimeter zu verlängern – da werden die grauen Dickhäuter blass vor Neid. „Dank seiner Beweglichkeit kann der Rüssel auch ein Glas hinter einer Flasche greifen“, schwärmt Markus Fischer, Leiter Corporate Design beim Automatisierungsspezialisten Festo.
Mit ihrem raffinierten Rüssel haben die Esslinger Tüftler aus der Festo-Forschung in „Tagesschau“- und „Heute“-Nachrichten die Bilder zur Berichterstattung von der Hannover Messe dominiert – wie schon in den letzten Jahren. Mal schwammen täuschend echte Pinguine torpedoartig durch ein Wasserbecken, ein andermal schwebten riesige, heliumgefüllte Quallen durch die Messehalle – ein gefundenes Fressen für die Kameras.
Auf der diesjährigen Industriemesse sorgte der Schwabenrüssel für Furore, als er Bundeskanzlerin Angela Merkel einen Apfel überreichte. Der Greifer ist das Ergebnis einer konsequenten Entwicklung von Technik nach dem Vorbild der Natur – Stichwort „Bionik“, ein Kunstwort aus BIOlogie und TechNIK.
Bei Festo genießt die Natur als Vorbild einen hohen Stellenwert. 2006 wurde das Bionic Learning Network ins Leben gerufen, dessen Leiter Markus Fischer ist. Während bei anderen Unternehmen das Schlagwort vor allem zu Marketingzwecken dient, erhofft man sich bei Festo vom Lernen von der Natur einen echten Mehrwert. Denn Leichtbau und Energieeffizienz sind die Megathemen der Branche und beschäftigten auch Aussteller und Besucher der Messe in Hannover.
Es macht Sinn, von Mutter Natur abzukupfern, denn Knochen oder Baumstämme sind immer noch viel leichter, Beine und Flossen viel energiesparender als alle technischen Konstruktionen. Der bionische Handling-Assistent, wie der Technorüssel von Festo heißt, setzt Maßstäbe: Er wiegt nur 1,8 Kilogramm, kann aber bis zu 500 Gramm heben – ein Topverhältnis für die Industrieautomation.
Sogar ein Handhabungsverhältnis von eins zu eins scheint in Zukunft machbar, der Roboter würde dann so viel Last heben, wie er selbst wiegt. Doch schon jetzt deckt der Handling-Assistent die meisten Anwendungen in Fabriken ab, bei denen Menschen mit Maschinen zusammenarbeiten sollen. „Dort werden meist Gewichte unter 500 Gramm gehoben“, sagt Fischer.
Dafür gibt es heute noch keine Lösung, da herkömmliche Industrieroboter aus Metall selbst in kleiner Ausführung schwer sind, jede Menge Energie fressen und eingezäunt werden müssen, damit sie bei ihren Bewegungen nicht jemanden verletzen.
Dass der Esslinger Elefantenrüssel so leicht ist, verdankt er einer trickreichen Materialbearbeitung. Die Faltenbalge des Rüssels und des Kugelgelenks werden durch Lasersintern hergestellt. Dabei wird ein Kunststoffpulver mit einem Laser geschmolzen und gehärtet.
Schicht für Schicht entsteht so die stabile und extrem leichte Ziehharmonika-Konstruktion. Das Verfahren stammt vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart. Es ist nicht neu, wurde aber noch nie für so komplexe und flexible Bauteile verwendet.
Der Aufbau des Rüssels ist in der Tat eine technische Meisterleistung. Er besteht aus drei Segmenten die zusammen mit der Achse des Handgelenks und mit dem Greifer den Rüssel bilden. Die Segmente sind im Grundriss dreieckig angeordnet und haben an jeder Ecke eine Säule aus neun Faltenbälgen, die wie eine Ziehharmonika aufgereiht sind. Wird in die eine Ecke Druckluft gepumpt, verlängert sich dieser Strang, und der Rüssel biegt sich auf die gegenüberliegende Seite.
Beatmet man zwei oder alle drei Stränge, lassen sich je nach Druckverteilung nahezu beliebige Krümmungen erzielen, bei Vollgas in allen Strängen schießt die Rüsselspitze um 40 Zentimeter nach vorn. Rempelt man den Rüssel an, erkennen Seilzugsensoren in den drei Ecken die Auslenkung, und der Steuerrechner dirigiert den Rüssel wieder in die korrekte Position.
An der Spitze des Arms sitzt der FinGripper als Greifer. Der FinGripper ist auf die Handachse montiert. Die Handachse hat drei weitere Faltenbälge, die den Greifer noch einmal um 30 Grad in alle Richtungen bewegen, wie mit einem Handgelenk. Die drei gummiartigen Finger des FinGripper sehen aus wie aufgeschnittene Fischflossen, und diesem Vorbild sind sie auch nachempfunden.
Das Prinzip hat Leif Kniese von der Firma Evologics, einem An-Institut der TU Berlin, beim Fischen in Norwegen entdeckt. Die Funktion lässt sich mit Worten kaum beschreiben, man muss den Effekt gesehen haben: Drückt man das Flossenstück gegen einen Gegenstand, biegt es sich nicht etwa weg, sondern schmiegt sich um den Gegenstand – je mehr man drückt, umso enger liegt er an.
Was dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheint, kommt von dünnen Stegen im Inneren der Flosse. Diese krümmt sich damit in Richtung der Kraft, womit Fische mit kleinsten Flossenschlägen enorme Kräfte und Geschwindigkeiten erzeugen können. Inzwischen wird das Prinzip auch bei der Vorrichtung zum Auswringen des Vileda Wischmopps verwendet, wo flexible Zungen die Lappen des Mopps in die Zange nehmen.
Dank ihrer Elastizität können die Gummifinger von Festo selbst empfindliche Gegenstände wie Glühbirnen oder rohe Eier vorsichtig, aber fest umfassen und sie in Verpackungen setzen. Die erste Variante des Greifers im letzten Jahr sortierte faulige Blumenzwiebeln vom Fließband eines holländischen Blumenzüchters.
Das ging so schnell, dass das Auge kaum folgen konnte. Die Lebensmittelindustrie würde vom Rüsselgreifer enorm profitieren. In Neuseeland, sagt Fischer, lande rund ein Drittel der Apfelernte auf dem Müll, weil die Früchte durch die rohe Behandlung faulten. Der FinGripper dagegen würde die Äpfel so sanft verpacken, dass der Ausschuss weit geringer bliebe.
Sanft wäre der Rüsselgreifer auch zum Menschen – das ist die eigentliche Revolution der Festo-Entwicklung. Denn bisher mussten Menschen vor Robotern geschützt werden, wie etwa die großen Schweißroboter, die in der Automobilfertigung hinter Käfiggittern arbeiten müssen. Zwar gibt es seit längerem Versuche, Roboter mit Sensoren und passenden Antrieben möglichst nachgiebig zu machen, doch wenn durch einen Fehler in der Steuerung viele Kilogramm Metall gegen Bauch oder Kopf eines daneben stehenden Arbeiters knallen, kann es zu erheblichen Verletzungen kommen.
Bei der Festo-Konstruktion ist diese Gefahr gebannt: Selbst wenn die Druckluft unkontrolliert in den Rüssel schießen und es zu einer Kollision kommen würde, wäre das wegen des geringen Gewichts und der elastischen Konstruktion nicht mehr als ein sanfter Rempler. Das hätte auch arbeitsschutzrechtlich erhebliche Vorteile.
Damit ist die Tür weit offen für eine neue Dimension der Mensch-Maschine-Kooperation. Jeder kennt das: Man will ein Bild an die Wand hängen und bräuchte zum Halten von Bild, Wasserwaage, Hammer und Nagel viel mehr als nur zwei Hände. In der Industrie oder im Handwerk ist das Problem allgegenwärtig.
Ein Roboter, der passend zum Arbeitsablauf Schraube oder Schraubenschlüssel reicht, wäre eine enorme Arbeitserleichterung. Die „dritte Hand“ ist deshalb Thema zahlreicher Forschungsvorhaben, doch noch niemand hat die Idee so elegant und sicher umgesetzt wie Festo mit seinem bionischen Handling-Assistenten.
Noch ist der Rüsselroboter ein wertvolles Einzelstück. Bei industrieller Fertigung dürfte der Preis so weit sinken, dass auch andere Zielgruppen profitieren könnten. Festo denkt zum Beispiel an den lukrativen Markt der Rehabilitationshilfen. So könnte der flinke Arm beispielsweise als Kontrahent beim Armdrücken zwecks Muskelaufbau dienen oder, an einen Rollator montiert und mit Joystick gesteuert, Senioren beim Greifen von Gegenständen unterstützen.
Der Plastikarm würde nimmermüde und auf jedes Kommando gehorchen – ganz im Gegensatz zu Tamo, dem Elefantenbaby, das ein Fotograf für die Festo-Werbefotos im Zoo in Wuppertal ablichten musste.
„Der Elefant wollte nicht so, wie wir wollten“, erzählt Markus Fischer amüsiert und war dennoch beeindruckt – und angespornt. „Tamo kann seinen Rüssel entlang der Längsachse verdrillen – das können wir mit unserem Rüssel leider noch nicht.“ Die Natur kanns zwar immer noch am besten – aber der nachkunstruierte kommt dem echten Elefantenrüssel schon sehr nah, eine enorme Ingenieursleistung.
mif
