Get Adobe Flash player

Radvány Miklós
Festo Kft.


A természet inspirálta ezeket az innovatív műszaki megoldásokat a háromdimenziós konstrukciók és a különleges mozgásformák megvalósítása terén. A BionicFinWave a szépiák energiahatékony hullámzó uszonymozgásával halad a vízben.
A 3D Cocooner háromdimenziós térformákat képes üvegszálas polimerből létrehozni a hálószövéshez hasonló módon.
A BionicWheelBot a marokkói szaltózó pókhoz hasonló mozgásával egy érdekes eszköz lehet a talajon haladó szerkezetek mozgásforma-váltásainak tanulmányozásához. Az új bionikus alkalmazások új ötletekkel szolgálhatnak a jövő műszaki fejlesztéseinek számára.

These new innovations are inspired by nature on the field of 3D construction and special forms of movements. The
BionicFinWave can swim as energy efficiently as the cuttlefish using its fin to generate a continuous wave. Just like a caterpillar, the 3D Cocooner creates lightweight structures out of a glass-fibre thread. The BionicWheelBot walks and rolls like the Moroccan flic-flac spider, and is an interesting device for studying the conversion of forms of movements. The new bionic applications can bring new ideas for the technology of the future.



Folytatva bionikus modelleket bemutató cikksorozatunkat, ezúttal is az állatvilág evolúciója során létrejött biológiai „konstrukciók” alapján létrehozott mesterséges egységek közül válogatunk. A természet ötletei a hagyományostól eltérő, új műszaki megoldásokat kínálnak a háromdimenziós szerkezetek és az új mozgásformák iránt érdeklődők számára.

A BionicFinWave, a víz alatti úszó robot-tintahal

A világ tengeri élőhelyeit számtalan úszó állatfaj népesíti be. A vízben történő helyváltoztatásukhoz különféle mozgásformákat fejlesztettek ki, amik közül a leggyakoribb a farok oldalirányú vagy fel- és lefelé történő csapkodásával történő haladás. A tintahalaknak (szépiáknak) azonban nincs farokúszójuk, így mozgásuk is eltér a halakra és a vízi emlősökre jellemző úszástól. Ezek a fejlábúak a test két oldalán húzódó lebenyszerű uszony ritmikus „lengetésével” siklanak a vízben. A hullámzó uszonymozgás által kiszorított víz ellenerejeként jön létre a haladási iránynak megfelelő tolóerő. A tintahalak a hullámmozgás irányának változtatásával előre vagy hátrafelé is tudnak haladni, ráadásul nagyon hatékonyan: az amúgy is kis közegellenállású, „áramvonalas” lények minimális turbulencia keltése mellett, a lehető legkisebb energia felhasználásával tudnak mozogni a vízben.

Ezt a különleges mozgást utánozza a BionicFinWave (1. ábra). A 370 mm hosszúságú mesterséges tintahal szélessége uszonyokkal együtt 190 mm, tömege 430 g. Üreges testének 3D nyomtatással készült szegmenseit egy-egy fej- és farokelem valamint kilenc darab műanyag testmodul alkotja. Az egységek vízzáróan tömített üregeiben kaptak helyet a vezérléshez és a kommunikációhoz szükséges eszközök. A test mentén végigfutó, szilikonból készült uszonylebenyeket oldalanként kilenc kar mozgatja egy-egy szervomotor segítségével (2. ábra). A motorokhoz csatlakozó forgattyús mechanizmus hozza létre a lágy uszonyokat hordozó karok finoman szabályozott ciklikus mozgását. A hullámmozgás sebessége és mintája oldalanként függetlenül változtatható, így tud a kis robot fordulni és különböző irányokba haladni. A fel- és lefelé történő irányváltásért az eszköz fejében elhelyezett harmadik szervomotor felel, amely a kardáncsuklókkal összekapcsolt kilenc szegmensből álló testet a kívánt mozgásnak megfelelő ívben hajlítja meg.

A nyomásszenzorral, ultrahangos érzékelőkkel és mozgásvezérlővel felszerelt apró víz alatti robot hajlékony testfelépítésének köszönhetően akár szűk csőrendszerekben is képes önállóan manőverezni (3. ábra). Mozgás közben az érzékelők folyamatosan figyelik a vízmélységet és a környezetben található akadályok, csőfalak, elágazások távolságát, hogy az eszköz folyamatosan haladhasson és ne szoruljon be a szűkebb helyeken. A robot által észlelt környezeti jellemzők adatait rádiós kommunikáció segítségével lehet egy külső felügyeleti eszközön – például egy tableten – megjeleníteni, illetve rögzíteni.

A BionicFinWave alapötlete vonzó lehetőséget nyújt a különféle víz- és folyadéktechnológiai feladatok támogatásához, például a nehezen hozzáférhető csővezetékek, tartályok mérésének és ellenőrzésének megkönnyítésével.

A hálóépítő 3D Cocooner

Fonalakból épített sík- és térbeli hálókkal gyakran találkozunk a természetben. Elsősorban a pókok és egyes lepkefajok képesek fonalakat, illetve ezekből térformákat készíteni – gondoljunk csak a lépten-nyomon felbukkanó pókhálókra vagy a selyemhernyó igen értékes szálból készült gubójára.
A 3D Cocooner tanulmány háromdimenziós konstrukciókat képes építeni a hálószövéshez hasonló módon (4. ábra). A készülék lelke – „szövőmirigye” – egy üvegszálat és fényre kötő polimer anyagot adagoló berendezés. A kétfázisú, részben képlékeny állagú építőanyagból úgy lesz szilárd
rácsszerkezet, hogy az adagolóból kibocsátott anyagfolyamot először átengedik egy görgőpáron, amely a megfelelő formára és méretre alakítja, majd intenzív UV-fénnyel világítják meg, ezzel a kiváltva az anyag gyors polimerizációját és megszilárdulását. Ha az így létrejött rúd elérte a szükséges hosszúságot, az anyagáramlást egy penge egyszerűen elvágja (5. ábra). A folyamat a munkatér tetszőleges másik pontján megismételhető, és az így létrehozott újabb rudak polimerizációs kötésük során összeépülnek a már elkészült szerkezettel.

A rácsszerkezet építéséhez az adagoló fej pontosan meghatározott térbeli mozgatására van szükség. A 3D Cocooner pozícionálásáról egy tripod-geometriájú manipulátor gondoskodik (6.ábra). A tripod közvetlenül egy – háromdimenziós modellek, számítógépes grafikák és szimulációk készítésére alkalmas – animációs szofverből kapja a szükséges helyzetadatokat és vezérlőjeleket. A különlegesen továbbfejlesztett program tárolja azokat a geometriai szabályokat és paramétereket, például a jellemző méreteket, az elkészítendő rácselemek számát és térbeli elhelyezkedését, amelyek alapján a kívánt struktúra felépíthető. A felhasználónak csak a fő paramétereket kell meghatároznia, amikből a program automatikusan generálja az építéshez szükséges adatokat. A szoftver grafikai felületén akár egy laikus is képes az alapstruktúra módosítására és így egyedi rácsszerkezetek létrehozására.

A grafikus paraméterek mellett a tripod-kinematika jellemzőit is tárolja a program. Ez lehetővé teszi a teljes munkaútvonal megtervezését, optimalizálását és szimulációját a mozgási sebességek, illetve az üvegszál- és polimeradagolás figyelembe vételével és koordinálásával. A program a rácselemek geometriáját közvetlenül a tripod-mechanizmus mozgási adataivá generálja.

A 3D Cocooner – amellett, hogy különleges struktúrák létrehozására alkalmas – kiváló tanulmány az Ipar 4.0 alapelvek alkalmazására: a virtuális tervezőprogram közvetlenül, digitálisan csatlakozik a gyártási szinthez, rugalmas és egyedi termékgyártást lehetővé téve.

A BionicWheelBot, a guruló pók

A marokkói szaltózó pókot (Cebrennus rechenbergi) a Szahara észak-nyugati peremén, az Erg Chebbi sivatagban 2006-ban fedezte fel Ingo Rechenberg, a Berlini Műszaki Egyetem bionika professzora. A vadászpókok Cebrennus nemzetségbe tartozó fajának egyedei nem csak azért különlegesek, mert csakis az itteni homokdűnék között élnek, hanem figyelemre méltó „mozgáskultúrájuk” is egyedi a pókszabásúak világában. Ezek az ízeltlábúak – ha fenyegetve érzik magukat – a hagyományos futásról átváltanak egyfajta cigánykerekező mozgásra, így sebességüket meg tudják kétszerezni. Ilyenkor a két első lábpárjukat maguk alá hajlítva elrugaszkodnak, és egy teljes átfordulás után – behajlított lábaikkal csillapítva a leérkezést – érnek földet. A 15-20 cm hosszúságú szaltókkal a pókok képesek folyamatosan közlekedni, miközben sebességük elérheti a 2 m/s-ot, és képesek 40%-os emelkedésű terepen fölfelé is haladni.

A BionicWheelBot – bár nem ugrik – az igazi marokkói pókhoz hasonlóan egyesít két mozgásformát a beépített 15 miniatűr motor segítségével. Az íves formájú lábakkal együtt 570 mm hosszú, 796 mm szélességű, nyolclábú eszköz a hagyományos lépegetéskor csak három pár járólábát használja a rovarokéhoz hasonló lépésciklus szerint
(7. ábra).

Gyors mozgáskor az eddig járásra szolgáló hat lábát összefordítja, ezzel a teste két oldalán egy-egy kerékformát képez. A negyedik pár, eddig összecsukva várakozó lábat a gördülés megfelelő pillanatában kinyújtva hajtja előre magát a mesterséges pók.

Ahhoz, hogy a pók hosszú végtagjait a test lépésenkénti felemeléséhez gyorsan és hatékonyan lehessen mozgatni, a láb-szegmensek tövénél nagy nyomatékokra van szükség. A csuklópontokban elhelyezett, a mozgatásért felelős apró csigahajtóművek mellett ezért még energiatárolóként szolgáló rugók is találhatók, amelyek a lépések terheletlen fázisaiban megnyúlnak, majd az aktív szakaszban összehúzódásukkal segítik a test megemelését és továbbítását
(8. ábra). Lépegetés közben a szerkezet egyszerre három-három lábon támaszkodik, ezzel mindig megőrzi stabilitását. Az előre, hátra és oldalra kinyúló lábak mozgástartománya pontosan össze van hangolva, így az eszköz egyenesen tud haladni. Irányváltoztatáshoz a középső járóláb-pár egyszerre, ellentétes irányban mozgatható, ezzel a test az alátámasztási egyenes felezőpontja körül el tud fordulni.

Amikor a mesterséges pók lépegetőből guruló mozgásra vált, először – a hátsó pár lábát maga alá hajlítva – „letérdel”, ezután a két első végtagját is maga alá fordítja, ezzel az első és hátsó lábak kialakítják a létrehozandó kerekek ívének alsó kétharmadát. A középső járólábak felemelésével és ízenkénti elforgatásával, majd a már elkészült ívhez illesztésével jön létre a teljes kerék-pár (9. ábra). Az eddig összehajtott negyedik pár láb ezután aktiválódik és kinyúlva odébb gördíti, majd a guruló mozgás megfelelő pillanatában egy-egy energikus lökéssel lendíti tovább a szerkezetet. A nagy – 267 mm-es – kerékátmérő és az erőteljes lökések lehetővé teszik az „állat” egyenetlen felületen és 5%-os emelkedőn történő haladását is (10. ábra).

A szerkezetet tablet segítségével, a test belsejében elhelyezett rádiós távvezérlő és kommunikációs modulon keresztül lehet irányítani.

A menet közbeni funkcióváltás a repülés világában már jól ismert – gondoljunk csak a konvertiplánokra, a helikopterek és a légcsavaros repülőgépek tulajdonságait kombináló légi járművekre. A BionicWheelBot egy érdekes eszköz lehet a talajon mozgó eszközök mozgásforma-váltásainak tanulmányozásához.