Griebel, Stefan: Vom Schneckententakel zum nachgiebigen Aktuator

Abstract in Deutsch:

Einleitung - Ein Blick in die Natur führte zu der Entwicklung eines neuen nachgiebigen, pneumatisch angetriebenen Aktuators. Hierfür wurde die Bewegung der Tentakel von der Weinbergschnecke (helix pomatia L.) untersucht und die Vorteile der biologischen Struktur analysiert. Auffällig ist der enorme teleskopartige Hub der Tentakel bei gleichzeitig geringem Durchmesser. Des Weiteren sind unter anderem der Schutz der empfindlichen Sinneszellen am Ende der Tentakel sowie eine planare Oberfläche im eingezogen Zustand der Tentakel zu nennen. Die Schnecke als Ganzes kann hierbei als ein geschlossenes fluidisches System betrachtet werden. Material und Methoden - Als erstes wurde vom biologischen Objekt ein einfaches geometrisches Parametermodell abgeleitet. Danach wurde die Finite Elemente Methode angewendet, (Ansys ®) mit der die Verschiebung des Strukturzentrums (Hub) in Abhängigkeit der aufgebrachten inneren Druckbelastung untersucht wurde. Als Material wurde Silikongummi (Elastosil ®) verwendet, welches innerhalb der Simulation mit Hilfe des hyperelastischen Materialgesetzes von Yeoh (3. Ordnung) abgebildet wurde. Die Silikonparameter wurden über uniaxiale Zugversuche ermittelt. Ergebnisse und Diskussion - Bei Variierung der geometrischen Modellparameter ist es möglich, kontinuierliche Bewegungsbahnen des Strukturzentrums oder Bewegungen mit einem oder mehreren (gestuften) Durchschlagphänomenen zu erzeugen. Hierbei ist mono- oder bistabiles Verhalten möglich. Zum Einstellen der Bewegung des Strukturzentrums wird das geometrische Verhältnis zwischen Radius und Dicke herangezogen. Anschließend wurden verschiedene Demonstratoren gefertigt, deren Bewegungsbahnen experimentell untersucht wurden. Der Vergleich der simulierten Bewegungsbahndaten mit den Daten der realen Struktur führte zu guter qualitativer und einer akzeptablen quantitativen Übereinstimmung. Zusammenfassung - Der entwickelte nachgiebige Mechanismus hat ein viel versprechendes Potential bei der Sensorpositionierung. Weitere Anwendungen in der Medizintechnik erwachsen aus der Verwendung von nachgiebigen und zugleich biokompatiblen Materialen.