Blog, Industrie 4.0

#227- Weicher Fokus

Ohne Strom keine Zukunft
Auch wir «Alten» können uns für Forschung und Anwendungen im Bereich von Industrie 4.0 begeistern. Mit unserer, oft analogen, Erfahrung aus einem ereignisreichen Leben sind wir prädestiniert, an Zukunftsprojekten mitzuwirken. Sei es auf Augenhöhe im Team mit den «jungen Wilden», oder als Mentor*innen in Startups und KMU’s. Beispielsweise befasse ich mich seit über 10 Jahren mit intelligenten Materialien für nachhaltiges Bauen. 2010 konnten wir in der Schweizer Baumuster-Centrale Zürich «ShapeShift», eine kinetische Installation von Manuel Kretzer zeigen, die mit einer neuen Materialität für eine zukünftige Architektur experimentiert. Das Projekt unter dem Patronat der Professur Dr. Ludger Hovestadt CAAD der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit der EMPA untersuchte die mögliche Anwendung von elektroaktiven Polymeren (EPA) im baulichen Kontext und eröffnete eine neue Beziehung zum gebauten Raum. Als Alternative zur «Siliziumlösung», fasziniert mich auch das Potenzial der Grätzel-Zelle, eine Farbstoffsolarzelle mit einem Funktionsprinzip ähnlich der Photosynthese. Sie dient der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie und ist eine Anwendung aus der Bionik. Die Solarzelle ist nach Michael Grätzel, Professor an der EPFL Lausanne benannt, der sie 1991 erfand und 1992 patentieren liess.

Denken ausserhalb der Norm
Gut 10 Jahre später inspiriert den heutigen Blogbeitrag ein Bericht meiner Alma Mater im Juli 2021 Newsletter. Unter dem Titel «Soft Focus: Eine flexible Zukunft für Roboter» publizierte die UCLA University of California at Los Angeles aktuelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet Robotik und künstlicher Intelligenz. Während Projekte der beiden Schweizer ETH’s überwiegend mechanische Lösungsansätze verfolgen, legen die Kalifornier den Grundstein für Material mit erstaunlichen Fähigkeiten. Ein Team rund um Dennis Hongs Fakultätskollegen an der UCLA Samueli School of Engineering könnte dabei unser Denken erweitern.

Die Entdeckung des Unbekannten
«Traditionell bauen wir Maschinen auf der Grundlage der Materialien, die wir haben, wobei sich Stahl und Gummi sehr gut bewähren», sagt Qibing Pei, Professor für Materialwissenschaften und -technik. «Allerdings sind wir durch unsere Materialien auch eingeschränkt und bestimmte Tätigkeiten sind für heute existierende Roboter unmöglich. Also versuchen wir für diese Zwecke, weiche Materialien und Geräte zu entwickeln.» Weiche Roboter, die in der Lage sind, Aufgaben auszuführen, die der menschlichen Gesundheit und dem Wohlbefinden zugutekommen und die Entdeckung des Unbekannten vorantreiben. Pei und seine Kollegen beginnen herauszufinden, woraus diese weichen Roboter bestehen und wie sie sich bewegen werden. Sichere, gepolsterte Roboterassistenten könnten die Pflege von Senioren und Patienten übernehmen. Winzige weiche Roboter könnten ihre eigenen fantastischen Reisen im menschlichen Körper unternehmen, um Operationen durchzuführen.

Die Bedeutung von Geschmeidigkeit
Die Gruppe von Ximin He entwickelte ein Material, das von Ingenieuren verwendet wurde, um Roboterarme herzustellen, die dem Tentakel eines Oktopus ähneln. Weiche Roboter wären potenziell sicherer als herkömmliche. «Die wichtigste Anwendung, die wir uns für weiche Roboter vorstellen können, wäre die Interaktion mit zerbrechlichen Objekten und Menschen», sagt Lihua Jin, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. Darüber hinaus suggeriert die Leichtigkeit eines weichen Roboters einen einfachen Transport. Ähnlich wie ein grosser Oktopus sich durch ein kleines Loch zwängen kann, können weiche Roboter an Stellen gelangen, welche starre nicht erreichen. Die vordefinierten Parameter der Gelenke traditioneller Roboter schränken ihre Bewegungen ein, während ein flexibler Roboter möglicherweise nur wenige Einschränkungen in der Art und Weise hat, wie er sich dehnen, drehen und verändern kann. Gebaut mit der Fähigkeit, einzuknicken um dann in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, könnte ein weicher Roboter auch widerstandsfähiger sein.

Es braucht einen Mentalitätswandel
Jonathan Hopkins, ausserordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau ist der Meinung, dass unsere Gesellschaft vom Irrglauben wegkommen muss, dass man robuster ist, wenn man gross und steif sei. Eigentlich ist das Gegenteil der Fall, glaubt er und denkt an die dünnen Palmen, die sich biegen und Hurrikane überleben, während starke Telefonmasten einknicken. Der japanische Architekt Shigeru Ban beispielsweise, baut seit Jahrzehnten robuste Konstruktionen aus Papier und Karton. Die Forscher, welche die Entwicklung in Richtung weicher Maschinen vorantreiben, sind Teil eines grösseren Kaders aussergewöhnlicher Robotik-Forscher auf dem Campus mit mehr als einem Dutzend UCLA-Labors. Dazu gehören zwei weitere Superstars: Jacob Rosen, einen Experten für Operationsroboter, und Veronica Santos, die künstliche Hände entwickelt.

Grätzel-Zelle (Schulprojekt) Bild: Sebastian Spohner, Dr. Dietmar Scherr

Ein Materialproblem
Während sich Ingenieure auf die Suche nach neuartigen Materialien für Softroboter machen, wollen sie den Materialien selbst wichtige Eigenschaften zu eigen machen. Ximin He, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik arbeitet an intelligenten Materialien, welche Bewegung mit Fähigkeiten wie Sensorik oder Leitfähigkeit integrieren. Intelligente Materialien könnten eine kleine Rechenleistung übernehmen, die Umgebung erfassen und mit Formänderungen reagieren. Pei ist unterdessen führend bei weichen Materialien, die sich die Elektrostatik zunutze machen, die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen im Ruhezustand. Er arbeitet auch mit Nanotechnologie und nutzt Phänomene, die im Milliardstelbereich passieren. Diverse Forschungsrichtungen verbinden sich in den Aktivitäten von Jins Gruppe. Jin entwickelt nicht nur verschiedene Materialien, sondern modelliert auch, wie Materialien auf ihre Umgebung reagieren. Der «OsciBot», eine einfache weiche Maschine, die bei Lichteinfall durch Wasser paddelt, ist aus der Forschung von He und Jin hervorgegangen. Sein Labor hat auch künstliche Sehnen und synthetische Muskeln entwickelt, die potenziell zehnmal stärker waren als ihre menschlichen Gegenstücke. Pei hat auch ein patentiertes Material für ein LED-Display, das sich auf das Doppelte seiner ursprünglichen Grösse dehnen lässt.

Bewegungen machen
Während sich seine Kollegen für weiche Roboter interessieren, beschäftigt sich Khalid Jawed mit ihren möglichen Formen und Bewegungsweisen. Jawed, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, studiert die unglaublich komplexen Parameter der Bewegung einer flexiblen Maschine. Hopkins, der sich auch mit Formen und Mechanik beschäftigt, verfolgt einen weitreichenden Ansatz für flexible Maschinen. Er hat einen luftbetriebenen Aktuator entwickelt – die Komponente, die es einem Roboter ermöglicht, sich selbst und Objekte um ihn herum zu bewegen – den er aus Gummi formt. Seine Vision umfasst auch Verbesserungen von 3D-Drucktechniken zur Entwicklung flexibler Materialien. Die von Hopkins entworfenen Materialien leiten ihre Eigenschaften mehr von ihrer Struktur und Mechanik in verschiedenen mikroskopischen Massstäben ab als von ihrer chemischen Zusammensetzung. Mutter Natur selbst könnte als die ursprüngliche Ingenieurin der weichen Maschinen angesehen werden. Dementsprechend ist die Biologie eine wichtige Inspiration für die UCLA-Forscher.

Carpenter ant | insect | Encyclopedia Britannica Inc.

Andere Inspirationen sind eher esoterisch: Der «OsciBot» paddelt bei Lichteinfall, ähnlich wie eine Sonnenblume ihr Gesicht der Sonne zuwendet. Der flexible Aktuator von Hopkins orientiert sich an den Beinen einer Spinne und dem zugrunde liegenden hydraulischen Mechanismus und vergleicht seine architektonischen Materialien mit der komplizierten, mikroskopischen Konfiguration der Schuppen auf den Flügeln eines Schmetterlings.

«kompetenz60plus.ch»
Mit unserer Erfahrung und Engagement aus der analogen Welt sind wir «Alten» gerüstet, im Team zusammen mit dem digitalen Wissen der «jungen Wilden», Prioritäten und Ideen mit Engagement und auf Augenhöhe in Ergebnisse umzusetzen. «kompetenz60plus.ch» ist ein Sammelbecken für kompetente Senioren, die sich ihrer Verantwortung gegenüber der jüngeren Generation bewusst sind und sich aktiv an der Diskussion über die Zukunft beteiligen wollen. Bitte bringen Sie sich ein und registrieren Sie Ihre Kompetenz kostenlos hier. Wir freuen uns auch über Ihre Kontaktnahme per Mail an: werner@kompetenz60plus.ch, oder hinterlassen Sie Ihren Kommentar weiter unten. Danke!

Werner K. Rüegger, dipl. Arch. SIA AIA
Projektadministrator und Initiator


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Web: kompetenz60plus.ch I Mail: werner@kompetenz60plus.ch I
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«Alte» und die Roboter

3. Robotics Atelier 2019, Madrid
Diese Nachricht hatte es in sich: Die Norman Foster Foundation kündigte ihre dritte Ausgabe des Robotics Atelier – Public Debates 2019 unterstützt vom Rolex Institute zwischen dem 4. bis 8. November in Madrid an. Der Workshop konzentriert sich auf den grossflächigen 3D-Druck mit rezyklierten Kunststoffen. Eine besondere Herausforderung besteht darin, eine Gebäudehülle zu entwerfen, die mehrere Funktionen in einem komplexen geometrischen System integriert und auf bestimmte Umgebungen reagieren kann. Diese Robotik-Debatten beleuchten die Entwicklung des 3D-Drucks in den letzten zehn Jahren. Die Anwendungen reichen dabei von 3D-gedruckten Autos bis hin zu Geigen. Der 3D-Druck wurde folglich zum Beginn der vierten Industriellen Revolution erklärt. Obwohl der 3D-Druck in den medizinischen Wissenschaften, im Maschinenbau und in gewissem Masse bei Konsumgütern eine grosse Störung darstellt, könnte argumentiert werden, dass seine tatsächlichen Auswirkungen auf die Architekturbranche noch ausstehen.

NORMAN FOSTER FOUNDATION, ROBOTICS-ATELIER, 2018, der Gründer mit Studierenden

Norman Robert Foster (86)
Baron Foster of Thames Bank, der englische Architekt und Kopf des weltbekannten Architekturbüros Foster + Partners gründete seine Norman Foster Foundation 1999. Sie fördert junge Architekten, Designer und Stadtplaner, die mit interdisziplinären Diskussionen nach zukunftsweisenden Lösungen suchen. Foster ist als deren Präsident immer noch sehr aktiv, Vizepräsidentin ist seine Ehefrau, die Spanierin Elena Ochoa Foster. Seit 2018 hat die Stiftung ein neues Hauptquartier. Norman Foster ersteigerte den ehemaligen Stadtpalast aus dem Jahre 1912 in Madrid (Spanien), sanierte ihn von Grund auf und ergänzte ihn mit einem gläsernen Anbau. Die Sammlung ermöglicht Architekten, Wissenschaftler und Stipendiaten über Skizzen, Zeichnungen, Fotos, Baupläne und Modelle Einblicke in das Werk des geadelten Architekten zum ausgiebig Studium. Die öffentlichen Debatten sind nach der Registrierung über «eventbrite», kostenlos und mit begrenzter Kapazität für die Öffentlichkeit zugänglich. Referierende sind jeweils Koryphäen im weltweiten Netzwerk des Meisters aus Lehre, Forschung und Industrie.

Neugierige «Alte»
Für mich ist dies ein weiterer Beweis, dass neugierige «Alte» weiterhin im Team mit «jungen Wilden» einen wichtigen Beitrag zur Zukunftsforschung beitragen können. Wir kennen die analogen Abläufe aus Erfahrung und unterstützen damit die Entwicklung digitaler Technologien. Unter dem Titel «3-D-Druckverfahren stecken noch in den Kinderschuhen» schrieb Giorgio V. Müller, München, in der NZZ vom 13.10.2019 über den Anfang Oktober lancierten «Bavarian Additive Manufacturing Cluster», der den Durchbruch bei additiven Fertigungstechniken beschleunigen soll. Bei diesem Verfahren sind seit Jahren eindrückliche Beispiele dokumentiert, wie man am Computer komplexe dreidimensionale Bauteile, die bisher unmöglich umzusetzen schienen, entwickeln und mit einem 3-D-Drucker fertigen kann. «Die Technik ist jedoch nach wie vor eine Nischentechnik in einem Nischenmarkt», sagte Christian Seidel vom deutschen Forschungsinstitut Fraunhofer. In der Herstellung von Prototypen oder für stückzahlmässig wenige Ersatzteile hat sich das Verfahren schon länger etabliert. Volumenmässig macht aber die additive Fertigung noch immer kaum 0,1% der gesamten verarbeitenden Industrie aus. Das wird sich mittelfristig ändern. Schweizer Unternehmen, in Zusammenarbeit mit den beiden ETH, forschen auf dem Gebiet. damit bietet die additive Fertigung auch für die Schweiz eine «Riesenchance» Teil dieses Markts zu sein.

Kompetente «Alte» gesucht
Genaueres zur Plattform «kompetenz60plus.ch» erfahren Sie im doppelseitigen Beitrag von Anfang Jahr in der Schweizerischen Gewerbezeitung oder im Videoclip (3:43′) «FokusKMU» für das Lokalfernsehen vom vergangenen Februar.

Bitte machen Sie mit, wir freuen uns über Ihre Kontaktnahme per Mail an: werner@kompetenz60plus.ch. Danke!

Werner K. Rüegger, dipl. Arch. SIA AIA
Projektadministrator und Initiator


Ein Projekt «von uns. für uns.»
Web: kompetenz60plus.ch I Mail: werner@kompetenz60plus.ch I
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