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  • Der „eMotionButterfly” in Aktion. Er fliegt im Schwarm und braucht wenig Energie. Seine Sensoren sind so klein, dass man sie kaum noch sieht.
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    Auf in die Zukunft!

    Intelligente Schmetterlinge, autonome Ameisen: Mit seinen bionischen Robotern erforscht das Unternehmen Festo, ein Zulieferer der Daimler AG, auf faszinierende Weise die Mobilität von morgen.

    Text: Marc Bielefeld | Fotos: Tillmann Franzen

Piezokeramische Biegewandler.

Schnellen Schrittes krabbelt sie über den Boden, die sechs Beinchen heben sich, senken sich, derweil ihre Augen die Welt mustern. Zwei dünne Fühler wachsen aus ihrem Kopf, ein goldfarbenes Muster zieht sich über den schwarzen Körper. Es sind winzige Leitungen, durch die Strom fließt wie durch ein offenes Nervensystem. Klug sieht die kleine künstliche Ameise aus. Lächelt sie? Algorithmen steuern das bionische Insekt. Stereokameras verbergen sich in seinem Kopf, Sensoren im Bauch, Antennen in ihrem Inneren. Piezokeramische Biegewandler (mehr dazu später) bewegen die Beine, auf dem Körper sind dreidimensionale Leiterbahnen angebracht. So kann die Ameise sehen und gehen, ziehen und greifen. Sie kann Hilfe rufen und mit ihren Artgenossen kommunizieren.


Klein, aber clever: Die „BionicAnt” steckt voller Technologien und reagiert wie echte Ameisen. Sie imitiert Schwarmverhalten.
Festos Bionikteam im Denklabor. Mit Unis und Experten anderer Firmen erschaffen sie jedes Jahr neue künstliche Tiere.

Schneeballeffekt.

Die „BionicAnt” funktioniert autonom, sie kann Entscheidungen treffen und verhält sich kooperativ. Ein knapp 14 Zentimeter kleiner Roboter, der sein Vorbild in der Natur imitiert – dank modernster Technologien, die auf kleinstem Raum zum Einsatz kommen. Die BionicAnt des deutschen Unternehmens Festo ist ein Objekt, das besonders anschaulich zeigt, in welchen revolutionären Zeiten wir leben. Nie zuvor sind so viele Forschungsgebiete miteinander verschmolzen, haben sich Innovationen so fruchtbar ergänzt und weltweit vernetzte Firmen ihre Projekte so schnell vorangetrieben. Das Resultat, dem wir heute staunend gegenüberstehen: ein Schneeballeffekt der Technologisierung.


Die Macht der Algorithmen.

Die Mobilität ist längst davon erfasst und wird morgen davon geprägt sein. Der Sprachcode dieser neuen Zeit: Robotik, Sensorik, Automatisierung. Konnektivität, 3D-Druck und Leichtbaukonstruktionen. Kinematik, Adaptivität, Miniaturisierung, die Integration mehrerer Funktionen auf einem winzigen Bauteil. Dazu die Macht der Algorithmen. Künstliche Intelligenz. Selbstlernende Systeme. Verwirrend? Vielen von uns geht es so. Beim Verstehen helfen daher solch konkret zu begreifende Projekte wie die künstliche Ameise. Entwickelt hat sie das Bionic Learning Network, ein Forschungsverbund unter Leitung von Festo in Esslingen. Das Unternehmen mit seinen 18 800 Mitarbeitern ist ein weltweit führender Spezialist in der Automatisierungstechnik, ein langjähriger Zulieferer der Daimler AG.


Mit seinem Bionikteam leistet sich Festo eine besondere Denkfabrik. Ingenieure und Designer, Biologen und Softwarespezialisten ersinnen hier „Future Concepts“. Dabei lässt sich das Team von einem Millionen Jahre alten Vorbild inspirieren: der Natur. Sebastian Schrof, der die Ameise für Festo mitentwickelte, nimmt das bionische Insekt und legt es zurück in den Plastikkoffer. Der auf Robotik spezialisierte Industriedesigner hat dieses Exemplar „Schmucchini“ getauft – eine von zwölf künstlichen Ameisen, die auf Messen und Technikshows in aller Welt zeigen, was sie können. Und meist machen die Zuschauer dann ziemlich große Augen: Denn die BionicAnts kopieren nicht nur die filigrane Anatomie echter Ameisen, mittels Algorithmen imitieren sie auch deren kognitive Fähigkeiten.


Der „eMotionButterfly” in Aktion. Er fliegt im Schwarm und braucht wenig Energie. Seine Sensoren sind so klein, dass man sie kaum noch sieht.

Künstliche Kreaturen.

Einmal auf den Beinen macht sich jede Ameise zunächst einen Plan der Umgebung und teilt ihn mit den anderen Ameisen. Die Roboter „wissen“ bald, wo sie selbst sind und wo auch alle anderen. Sollen sie nun einen Gegenstand bewegen, funken sie die Kollegen an. Die anderen Ameisen kommen prompt herbeigekrabbelt und packen mit an. Denn sie haben das Wissen gespeichert: Im Schwarm sind sie stärker, mit vereinten Kräften zerren sie den Brocken davon. Ohne dass jemand an einer Fernsteuerung sitzt. Nadine Kärcher, seit sechs Jahren im Bionikteam von Festo, entwickelt Software für die künstlichen Kreaturen. Zusammen mit IT-Experten der Universität Ulm hat sie unter anderem auch die Algorithmen geschrieben, die die Ameisen erst zu handelnden Objekten machen: komplexe Gleichungen, die auf kleinsten definierten Schritten basieren. Man müsse sich das so vorstellen, erklärt Nadine Kärcher: „Wir trichtern der Ameise ein: Wenn dies eintritt, dann machst du jenes. Wenn deine Sensoren rechts etwas erkennen, dann weichst du nach links aus. Und wenn dein Akku leer wird, dann gehst du zur Ladestation.“


Ein Multitalent.

Algorithmen sind fast unendlich lange Zahlenketten, die in den Prozessoren wirken. Bei der Ameise sitzt der Prozessor im Hinterteil: eine Art Gehirn, das Signale verarbeitet und verteilt und Beine und Greifer steuert. Seine verblüffendste Fähigkeit: Er simuliert Schwarmintelligenz. „Dabei stimmen sich einzelne Systeme untereinander ab“, sagt Nadine Kärcher. „Im Kollektiv übernehmen sie Aufgaben, die ein System allein nicht schaffen würde.“ Um die Beine des Insekts zu bewegen, nutzt Festo die sogenannte Piezotechnologie. Wird dabei an einem speziellen Kristall eine Spannung angelegt, reagiert er mechanisch. Die Oberfläche verändert ihre Form, dehnt sich oder zieht sich zusammen. Umgekehrt bringt die mechanische Spannung den Piezokristall dazu, eine elektrische Spannung zu erzeugen.


Eine äußerst effektive Wechselwirkung. Und genau so kommen die sechs Ameisenbeinchen in Bewegung: durch den Einsatz von piezokeramischen Biegewandlern. Überdies wird bei der Ameise die Methode des „Molded Interconnect Device“ (MID) genutzt. Auf den Oberflächen der 3D-gedruckten Bauteile lassen sich damit sichtbare dreidimensionale Leiterbahnen anbringen. Resultat ist ein Formteil, das mechanische und elektronische Funktionen gleichzeitig übernimmt. Ein Multitalent. Solche neuen Technologien inspirieren die Fantasie. Bei Festo hopste schon ein künstliches Känguru durch die Räume – die Bioniker hatten bei einem echten Känguru Verblüffendes beobachtet.


Bioniker Sebastian Schrof mit dem künstlichen Känguru. Es kann federnd hopsen und gewinnt bei jedem Sprung Energie zurück.

Volle Sprungkraft.

Ähnlich wie ein Gummiball gewinnt das Tier bei jeder Landung Kraft zurück und nutzt sie für den nächsten Sprung. Es verlagert seinen Schwerpunkt, um unterschiedliche Parabeln zu springen. Elias Knubben, der das Bionikteam bei Festo seit 2012 leitet, erzählt: „Wir haben uns das genau angeschaut: die Linearachsen und Antriebe, die bewegt und abgebremst werden müssen. Dabei haben wir gelernt, wie man äußerst ökonomisch mit Energie umgehen kann. Bei jedem Sprung gewinnt das Känguru 80 Prozent seiner Energie zurück. Man muss nur noch 20 Prozent hinzuführen, um wieder bei der vollen Sprungkraft zu landen. Ein geniales Prinzip.“


Von der Natur lernen.

Die Bioniker von Festo haben auch schon die Zunge eines Chamäleons nachempfunden, woraus am Ende der „FlexShapeGripper“ entstand. Wie die echte Chamäleonzunge stülpt sich dieser Greifer über Objekte, um sie zu packen – mithilfe einer elastischen Silikonkappe. Dem Oktopus haben sie seine Tentakel abgeschaut. Der künstliche Krakenarm ist flexibel und funktioniert pneumatisch. Er wickelt sich um Gegenstände, kann mit seinen Saugnäpfen Unterdruck erzeugen, glatte Flächen und sogar Glasscheiben greifen. Auch Elefantenrüssel und Fischflossen dienten schon als Blaupause für äußerst fähige Greifarme. Diese Roboter können Tomaten packen, Äpfel, sogar rohe Eier. „Mit jedem neuen Projekt lernen wir ungeheuer viel von der Natur“, sagt Elias Knubben, „und vieles hat schon seinen Weg in die Produktion gefunden.“ Denn die Grundlagenforschung ist kein Selbstzweck.


Der Handling-Assistent ist vom Elefantenrüssel abgeschaut, der flexible Greifer von der Fischflosse. Er kann Äpfel packen, sogar rohe Eier.
Nadine Kärcher ent- wickelt im Team Software und komplexe Algorithmen. Für den „BionicCobot” hat sie zudem eine völlig neue Bedienoberfläche ersonnen.

Informatik und Biologie.

Es geht darum, neue Materialien zu nutzen, Sensoren in einem neuen Kontext zu erproben oder zu fragen: Was passiert, wenn Informatik und Biologie aufeinandertreffen? Das übergeordnete Ziel: die Möglichkeiten der neuen Zeit erkennen. Und ausschöpfen. Vor allem in der Produktion kann die Robotik die Automobilität von morgen vorantreiben. Die Roboter der Zukunft könnten in den Fabriken ihre Käfige verlassen und mit Menschen zusammenarbeiten. Sie können sich feinmotorisch bewegen, erkennen dank Sensoren, wenn sie stoppen müssen. Prototypen wie der „BionicCobot“ kommen gänzlich ohne Stahl und elektrische Motoren aus. Komprimierte Luft bewegt ihre Gelenke, die Achsen in Ellbogen, Unterarm und Handgelenk. Er kann kräftig zupacken oder auch vorsichtig etwas aufheben, fest zudrücken oder einem Mitarbeiter auch einmal auf die Schulter tippen. Als wollte er sagen: Nimm, wir müssen noch diese Schraube einsetzen. Bei der Daimler AG stoßen solche Entwicklungen auf großes Interesse.


Es wirkt beinahe wie ein Wunder.

Und durch die Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz, durch eine noch viel weiter reichende Vernetzung und den dadurch permanent fließenden Datenaustausch werden viele der Innovationen auch in unserem Alltag landen. Die Vision vom automatisierten Fahren, das die Unfallzahlen senkt, rückt dank ausgefeilter Sensorik näher. Die intelligente Parkplatzsuche – vor allem in Großstädten eine Notwendigkeit – könnte ebenfalls wesentlich effizienter geregelt werden. Doch auch im übergeordneten Sinn ist die Natur das Maß der Dinge: Elias Knubben von Festo spricht von neuronalen Netzwerken und Schwarmintelligenz. „Das wäre ein weiterer Technologiesprung.“


Und auch sein jüngstes bionisches Projekt zeigt ganz plastisch, was da auf uns zukommt. Der Teamleiter steht an diesem Morgen in der gläsernen Eingangshalle der Unternehmenszentrale – und lässt Schmetterlinge fliegen. Behände flattern sie umher, spielerisch, poetisch fast. Es wirkt beinahe wie ein Wunder. Wie ein federleichtes Beispiel für die kluge Mobilität von morgen. Der „eMotionButterfly“ ist ein bionischer Falter, 27 Gramm leicht und des komplexen Schlagflügelprinzips mächtig. Seine Schwingen erzeugen Vortrieb und Auftrieb zugleich. Der minimalistische Körper stammt aus dem 3D-Drucker, hauchdünne Folie ist über Karbonrahmen gespannt.


Bioniker Sebastian Schrof mit dem künstlichen Känguru. Es kann federnd hopsen und gewinnt bei jedem Sprung Energie zurück.

Gekonnte Ausweichmanöver.

Motoren und Elektronik fallen so minimal aus, dass man sie aus einem Meter Distanz kaum noch erkennt. Der bionische Schmetterling braucht nur wenig Energie, um in der Luft zu bleiben. Zehn Infrarotkameras im Raum lokalisieren jedes einzelne Insekt, machen 160 Bilder, Milliarden Pixel pro Sekunde. So tracken sie kleinste Marker, die an den Schmetterlingen montiert sind. Die Falter kollidieren nicht, sie fliegen gekonnte Ausweichmanöver, ändern im Schwarm plötzlich die Richtung. Und landen am Ende ganz behutsam auf des Bionikers ausgestreckter Hand.


Viele Wege führen ins digitale Morgen.

Viele Wege führen ins digitale Morgen. Das Tempo ist hoch, die Verknüpfung neuer Technologien offenbart völlig neue Perspektiven. Schon vor 20 Jahren eröffnete Mercedes-Benz ein Entwicklungszentrum im Silicon Valley. Heute sind Connectivity und autonomes Fahren, Shared Services und Elektromobilität die großen Mobilitätstrends. Dazu bestimmt künstliche Intelligenz immer mehr unseren Alltag. Mercedes-Benz ist auf vielen Feldern unterwegs, um visionäre Konzepte nicht nur zu erkennen, sondern sie selbst zu generieren und voranzutreiben. Designer haben etwa ein bionisches Auto entworfen. Es besitzt die Form eines Kofferfischs – und sensationelle cw-Werte.


Daimler Trucks testet den Einsatz digital gekoppelter Trucks, „Platooning“ genannt.
Konnektivität von morgen: Wenn alle Autos mitdenken, gewinnt das autonome Fahren eine neue Dimension.

Neue Projekte kreisen ums Auto.

Neue Projekte kreisen ums Auto, das neuronale Netzwerke nutzt und mit der Umwelt interagiert. Das Forschungsfahrzeug F 015 veranschaulicht zahlreiche revolutionäre Konzepte: Es erkennt seine Umgebung und kooperiert mit ihr, bietet auch in Sensorik, Leichtbau und Konnektivität innovative Ansätze. Andere Entwickler der Daimler AG arbeiten am vernetzten Fuhrpark und intelligentem Carsharing. In Sindelfingen testen Mitarbeiter Roboter für die Fabrik von morgen, und Daimler Trucks erprobt das Kolonnenfahren digital gekoppelter Lkw – „Platooning“ genannt. Eine Inspiration ist hier der Formationsflug von Vögeln, das Ziel: Kraftstoffeffizienz.