Die Roboterspinne des Fraunhofer Instituts
Foto: © Fraunhofer IPA

Wissenschafter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) haben einen Laufroboter in Spinnenform entworfen. Spinnen sind sehr beweglich, einige springen sogar. Diese Fähigkeit verdanken sie ihren hydraulisch betriebenen Gliedern. Fraunhofer hat jetzt einen Laufroboter mit 20 cam langen Spinnenbeinen konstruiert, der den Antrieb der Spinnenbeine zum Vorbild hat. Elastische Faltenbälge dienen als Gelenke.

Das im 3D-Druckverfahren gefertigte Leichtgewicht erkundet für den Menschen unzugängliches Terrain. Ein Prototyp des Roboters ist vom 29. November bis zum 2. Dezember auf der Messe EuroMold 2011 in Frankfurt auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 11, Stand C66) zu sehen.

Flink und zielstrebig steuert der Laufroboter durch das nach einem Chemieunfall unbetretbare Gelände. Mulden, Furchen und andere Unebenheiten halten den achtbeinigen Hightech-Gesellen nicht auf. Seine Mission: Ausgerüstet mit Kamera und Messgeräten soll er den Einsatzkräften ein Lagebild und Daten über giftige Substanzen liefern. Keine leichte Aufgabe, schließlich darf er nicht umkippen. Doch diese Gefahr scheint gering – sicher und stabil bewegt er sich vorwärts. Wie bei einer Spinne berühren jeweils vier Beine den Boden, während die anderen vier sich nach vorne in die nächste Ausgangsposition drehen. Auch optisch erinnert das künstliche Gliedertier an den Achtfüßler. Kein Wunder – schließlich diente die Spinne den Forschern am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA als Vorbild. Noch liegt der Hightech-Helfer als Prototyp vor, doch künftig soll er seinen Dienst als Erkundungswerkzeug in für Menschen nur schwer zugänglichen oder gefährlichen Umgebungen versehen. Nach Naturkatastrophen, Industrie- oder Reaktorunfällen oder bei Feuerwehreinsätzen kann er die Rettungskräfte unterstützen, indem er etwa Live-Bilder überträgt oder Gefahrenquellen wie austretendes Gas aufspürt.

Die Besonderheit des Hightech-Helfers: Er ist nicht nur sehr leicht, sondern vereint sowohl starre als auch elastische Formen in einem Bauteil und lässt sich mit wenigen Fertigungsschritten kostengünstig herstellen. Bislang wurden Konstruktionen wie der Laufroboter mit konventioneller Maschinenbautechnik gefertigt – ein zeitaufwändiges und teures Unterfangen. Die Forscher am IPA hingegen setzen auf generative Fertigungstechnologien, konkret auf das selektive Lasersintern (SLS) von Kunststoffen, einem 3D-Druckverfahren. Dabei werden Schritt für Schritt dünne Schichten eines feinen Polyamidpulvers übereinander aufgetragen und mithilfe eines Laserstrahls in Form geschmolzen. So lassen sich komplexe Geometrien, innere Strukturen und Leichtbauteile herstellen – mit ähnlich optimalen Strukturen, wie man sie in der Natur beobachten kann. Die Experten am IPA können ihren Laufroboter flexibel konstruieren, also etwa die Beinmodule für eine bestimmte Belastung stufenlos auslegen.

Mit ihren langen Extremitäten kann sich die Spinne auf vielfältige Weise fortbewegen. Manche Exemplare sind sogar fähig zu springen. Dies gelingt ihnen durch hydraulisch betriebene Faltenbälge, die als Gelenke dienen und für die Beweglichkeit der Glieder sorgen. Da den Tieren Muskeln für das Strecken der Beine fehlen, bauen sie im Körper hohen Druck auf, mit dem sie Flüssigkeit in die Gliedmaßen pumpen. Schießt die Flüssigkeit in die Beine, werden sie gestreckt. »Wir haben uns dieses Fortbewegungsprinzip zunutze gemacht und auf unseren bionischen, per Computer gesteuerten Leichtbauroboter angewandt. Seine acht Beine und der Körper sind ebenfalls mit elastischen Faltenbälgen ausgestattet, die pneumatisch angetrieben werden und so die künstlichen Glieder beugen und strecken«, erläutert Ralf Becker, Wissenschaftler am IPA in Stuttgart. Die für den Antrieb erforderlichen Bauteile wie Steuerungseinheit, Ventile und Kompressorpumpe befinden sich im Körper, der je nach Anwendung unterschiedliche Messgeräte und Sensoren tragen kann. Scharniere ermöglichen im Zusammenspiel mit den Faltenbälgen die Vorwärts- und Drehbewegungen der Beine. Die sich diagonal gegenüberliegenden Glieder bewegen sich gleichzeitig. Durch Biegen der vorderen Beinpaare wird der Körper gezogen, durch Strecken der hinteren Extremitäten wird er geschoben.

Hans-Jörg Bullinger, Präsident der Fraunhofer Gesellschaft
Foto: fraunhofer.de

In Zeiten, in denen über neue Atomkraftwerke diskutiert wird, kommt jetzt eine intertessante Aussage von wem, der Bescheid weiss: “Eine Energieversorgung mit 100 Prozent erneuerbaren Energien ist schon 2050 machbar.” Dies betonte Eicke R. Weber, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und Sprecher der Fraunhofer-Allianz Energie bei der Eröffnung der Fraunhofer-Energietage. Das Motto der zweitägigen Veranstaltung in der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften lautete: Energiekonzept Deutschland – Mit neuer Energie. Auf den Fraunhofer-Energietagen, die am 23. und 24. September 2010 stattfanden, beschäftigten sich Wissenschaftler, Unternehmer und PoIitiker damit, wie Deutschland den Übergang zu einer nachhaltigen, sicheren, wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Energiewirtschaft schaffen kann.

Die prognostizierten wirtschaftlichen Potenziale lassen sich laut Fraunhofer aber nur nutzen, wenn die einzelnen Akteure der weitverzweigten Energieforschung enger zusammenarbeiten. Ein Beispiel ist der Ausgleich von dem Angebot und Nachfrage nach Strom in intelligenten Netzen und die Speicherung von erneuerbarer Energie. Um diese Verzahnung zu fördern, hat die Fraunhofer-Gesellschaft 2004 ihre Aktivitäten für Energietechnologien in der Fraunhofer-Allianz Energie gebündelt. Die 2000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in 16 Instituten betreiben international systemübergreifende Energieforschung über Technologie- und Branchengrenzen hinweg. Ziel ist, auch kleinen und mittelständischen Unternehmen, aber auch Politik und Energiewirtschaft einen leichten Zugang zu den Kompetenzen der Fraunhofer-Institute zu verschaffen.

Die Fraunhofer-Allianz Energie konzentriert sich hier auf fünf strategische Forschungsbereiche. Die Forscher arbeiten an der Weiterentwicklung energieeffizienter Technologien, intelligenten Systemen zum Energiemanagement, neuen Speichersystemen sowie Verfahren zur Nutzung regenerativer Energien. “Wir sind national und international vernetzt. Um die Entwicklung von Elektrofahrzeugen voranzutreiben, arbeiten 33 Fraunhofer-Institute Hand in Hand. Sie kümmern sich nicht nur um Antriebskonzepte, sondern auch darum, wie Solartankstellen aussehen müssen oder welche Herausforderungen auf Stromversorgung und Stadtplanung zukommenerläuterte Hans-Jörg Bullinger, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft : “Als strategischer Partner ist Fraunhofer am Massachusetts Institute of Technology MIT ebenso aktiv wie in dem ambitionierten Ökostadtprojekt Masdar City in Abu Dhabi und der europäischen Initiative DESERTEC.”

Die Förderung der regenerativen Energien schont zudem nicht nur die Ressourcen, sondern stärkt auch die Unternehmen hierzulande. “Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist ein Treiber für unsere Wirtschaft. Dies zeigte sich in der Krise”, erklärte Bullinger und verwies auf entsprechende Fraunhofer-Studien. Ein höheres Tempo bei der Nutzung grüner Technologien hätte demnach mehrere positive Effekte: Die Abhängigkeit Europas von Rohstoffimporten würde sinken, ebenso der Ausstoß von Kohlendioxid zum Wohle des Klimas. Gleichzeitig könnte Deutschland seine starke Stellung als Exportnation von innovativer Umwelt- und Energietechnik ausbauen. Schon heute dominieren deutsche Unternehmen den Markt für grüne Technologien, erklärte Bullinger:

So beträgt der Anteil deutscher Unternehmen am Weltmarkt für Energieerzeugungs¬technologien 30 Prozent, bei Technologien für Kreislaufwirtschaft, Abfall und Recycling sind es 25 Prozent wie eine Auswertung von Markstudien und Branchenanalysen durch Roland Berger ergeben hat. Wenn das hohe Innovationstempo beibehalten wird, könnten in den nächsten zehn Jahren zahlreiche zusätzliche Arbeitsplätze geschaffen werden, insbesondere in den Bereichen Energiegewinnung aus Sonne, Wind und Biomasse, Energieeffizienz in Industrie und Haushalten sowie Ausbau der Stromnetze. Bis 2020 rechnet das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe mit bis zu 380.000 Beschäftigten im Greentech-Sektor, bei verstärkten Anstrengungen im Klimaschutz sind sogar 630.000 Arbeitsplätze möglich. Zudem würde das Bruttoinlandsprodukt um 70 beziehungsweise 81 Milliarden Euro steigen.

Für ihre Forderung nach einem beschleunigten Ausbau erneuerbarer Energien haben die Fraunhofer-Experten prominente Unterstützung. Klaus Töpfer, ehemaliger Bundesumweltminister und einstiger Direktor des UNO-Umweltprogramms UNEP, hält das 100-Prozent-Ziel ebenfalls für realistisch: “Wir müssen alles daran setzen – etwa in der Entwicklung erneuerbarer Energien und durch die Erhöhung der Energieeffizienz –, diese Zukunft so schnell wie möglich zu erreichen”, so Töpfer, der heute das Institute for Advanced Sustainability Studies in Potsdam leitet. Töpfer sieht im schnellen Umstieg auf erneuerbare Energien “große Chancen für den Markt und die Menschen”. Dafür sollte die Bundesregierung allerdings ambitioniertere Ziele setzen. Die strebt bis 2050 einen Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch von 60 Prozent an. Doch schon mit Technologien, die bereits heute zur Verfügung stehen oder derzeit entwickelt werden, ließe sich eine weit höhere Quote erreichen.