Entwicklung eines biologisch inspirierten adaptiven Gelenksystems (BIAG)

Im Projekt BIAG (Entwicklung eines biologisch inspirierten adaptiven Gelenksystems) entwickelt und konstruiert die Hochschule Bremen nach dem Vorbild der Natur ein auf exoskeletalen Strukturen basierendes Funktionsmodell, das durch die Gelenksysteme passiv in festgelegten topologischen Zuständen bewegt werden und ohne externe Regelung dauerhaft in der vorgegebenen Topologie verbleiben kann. Geleitet wird das Projekt von Prof. Dr. Jan-Henning Dirks.

Herausforderung 

Komplexe zwei- oder dreidimensionale Strukturen wie bei adaptiven Systemen im Flugzeugbau und in der Produktionstechnik stellen hohe Ansprüche an die Verbindung von Elementen. Bei der herkömmlichen Konstruktion von Lager oder Gelenken werden Form und Funktion der gewünschten Beweglichkeit angepasst, was den Freiheitsgrad einschränkt und die Einsatzmöglichkeiten von morphenden Strukturen limitiert. Zudem wird meist auf erprobte reibungsminimierte Lager und Gelenke zurückgegriffen, bei denen die Ist-Position der Gelenkstellung kontinuierlich reguliert werden muss und die sich daher für adaptive Strukturen nicht eignen. Solche adaptiven Strukturen sind jedoch gerade im Flugzeugbau zunehmend gefordert, da sie Treibstoffeffizienz und Flugsicherheit verbessern und Lärm reduzieren. Bislang werden allerdings ausschließlich mechanische „endoskeletale“ Ansätze verfolgt; selbsttragende Gelenkstrukturen und Konzepte zur Reibungsmaximierung stehen derzeit noch nicht im Fokus der Entwicklungen.

Ziele und Vorgehen 

Im Projekt BIAG sollen einige ingenieurwissenschaftiche Konzepte völlig neu gedacht werden. Als Vorbild dient die Natur mit ihren exoskeletalen Strukturen, wie sie etwa Insekten oder Spinnen, aber auch Seesterne und andere Stachelhäuter aufweisen. In der Natur ist das Exoskelett ein Erfolgsmodell, das Schutz und Beweglichkeit funktionell verbindet. Die biologischen Vorbilder werden im BIAG-Projekt genutzt, um ein Gelenksystem zu entwickeln, das einfacher, regelungs- und ausfallsicherer, leichter und vielseitiger als konventionelle Gelenksysteme ist und ohne externe Regelung dauerhaft in der vorgegebenen Topologie verbleiben kann. Dafür muss jedoch das passende biologische Vorbild gefunden werden. Notwendig ist dafür eine zerstörungsfreie, hochauflösende Analyse von komplexen, dreidimensionalen exoskeletalen Strukturen und die Untersuchung des morphologischen und histologischen Grundaufbaus ausgewählter Gelenkstrukturen, deren Interaktion sowie die Charakterisierung von Reibungskräften im Gelenk.

Innovationen und Perspektiven

Der im BIAG-Projekt angestrebte Lösungsansatz ist technisch eine absolute Neuheit und entspricht allen Kriterien einer disruptiven Innovation im Bereich der Produktionstechnik und des Flugzeugbaus, wo adaptive Strukturen als eine zukunftsweisende und extrem vielseitige Technologie gelten. Das Marktinteresse der Flugzeug- sowie der Produktionsindustrie an der technischen Umsetzung und Weiterentwicklung von morphenden Strukturen gilt als stabil. Für Kooperationspartner Airbus ist vor allem der Aspekt der Reibungsmaximierung in Gelenken interessant. Potenzial bieten die der Natur nachempfunden Strukturen auch für Windenergieanlagen: Ein „morphing blade“ mit adaptiver dreidimensionaler Struktur würde zu einer höheren Effizienz führen. Die wissenschaftliche Arbeit am BIAG-Projekt wird im Rahmen einer interdisziplinären Promotion am Bionik-lnnovations-Centrum der Hochschule Bremen durchgeführt.