Soft Tensegrity-Strukturen mit variabler Steifigkeit und Formänderungsfähigkeit

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Valter Böhm; Professorin Dr.-Ing. Lena Zentner
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405033228

Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung intrinsisch nachgiebiger Tensegrity-Strukturen auf der Basis von hochelastischen Materialien mit ausgeprägt variabler Steifigkeit und Formänderungsfähigkeit für die Anwendung im Bereich der Soft-Material-Robotersysteme. Die Betrachtung spezieller nachgiebiger Materialien mit einem energielos (passiv) anpassungsfähigen dynamischen Verhalten, angewandt an die Tensegrity-Strukturen, ist ein wesentlicher Teil der Untersuchungen.Die zentrale Hypothese ist dabei: intrinsisch nachgiebige Tensegrity-Strukturen unterscheiden sich erheblich von anderen nachgiebigen Systemen und zwar durch deren Vorspannungszustand und spezifische Morphologie. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften sind diese Strukturen insbesondere für zukunftsweisende Anwendungen in der Soft-Material-Robotik prädestiniert. Die Anwendung spezieller intelligenter Materialien in derartigen Strukturen zur gleichzeitigen Erzeugung aktuatorischer und sensorischer Eigenschaften führt zu hohem Grad funktioneller Integration.Deshalb werden im Projekt die Erforschung und die Analyse derartigen Strukturen und die Herleitung grundlegender Prinzipien deren anpassungsfähigen Verhaltens betrachtet, wobei ein holistischer Ansatz basierend auf strukturellen, material- und fertigungsseitigen Aspekten verwendet wird.Aufgrund fehlender systematischer Untersuchungen zu intrinsisch nachgiebigen Elastomer-Tensegrity-Strukturen und zur Erforschung ihrer charakteristischen Eigenschaften liegen die Ziele der Untersuchungen im ersten Anwendungszeitraum bei (A) Methodenentwicklung, die zur theoretischen Beschreibung der Eigenschaften und des mechanischen Verhaltens gehört, mit dem Ziel der Bereitstellung geeigneter Design-Tools auf verschiedenen Abstraktionsstufen (Beschreibung der Form und der Nachgiebigkeit bzw. Steifigkeit sowie deren Änderungen bei Belastung); (B) Untersuchungen spezieller intelligenter nachgiebiger Materialien für diese Strukturen; (C) experimentelle Verifikation von theoretischen Ergebnissen und Nachweis der Funktionalität durch Demonstratoren; (D) Entwicklung von Designrichtlinien für solche Strukturen, die als Aktuatoren, Strukturen mit variabel einstellbarer Steifigkeit sowie mit passiv variabler Nachgiebigkeit genutzt werden können und (E) Klassifizierung dieser speziellen Strukturen.Mögliche Anwendungen dieser Strukturen sind anpassungsfähige Strukturen mit aktiv und passiv veränderbarer mechanischer Nachgiebigkeit, Aktuatoren und vollständig oder teilweise nachgiebige Strukturen mit vordefinierten Richtungen für anpassungsfähige Steifigkeitsänderungen. In der ersten Antragsperiode werden Grundlagenuntersuchungen zur Eignung nachgiebiger Tensegrity-Strukturen für diese Anwendungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung in diesem Projekt bilden die Grundlage für die Erforschung vom Potenzial, der Vorteile sowie der Grenzen nachgiebiger Tensegrity-Strukturen für die Anwendung in der Soft-Material-Robotik.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2100: Soft Material Robotic Systems