Mechatronik verändert und verbessert unser Leben, sie ist interdisziplinär und allgegenwärtig: Vom Computertomograph bis zum Flugzeug, vom Hybridauto bis zum Stahlwerk. Welche Zugänge wählt sie, um den Herausforderungen in der Produktentwicklung zu begegnen? Welche Spannung ergibt sich zwischen Entwurf und Wirklichkeit? Bleibt die Revolution still? Welchen Beitrag kann Mechatronik zur Lösung der großen Herausforderungen der Zukunft wie Energieverknappung und alternde Gesellschaft leisten? Kompetente Antworten auf diese Fragen gibt dieser Arbeitskreis.
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Doris HUMMER
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Member of the Provincial Government of Upper Austria for Education, Science and Research, Women and Youth, Linz |
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Introduction |
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Viktor SIGL
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Upper Austrian State Minister for Economic Affairs and Labour, Linz |
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Introduction |
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Werner BAUMGARTNER
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Professor und Leiter, Abteilung Zelluläre Neurobionik, Institut für Zoologie und Tierphysiologie, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen |
Abstract
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Die Mechatronik, definiert als interdisziplinärer Bereich, welcher sich mit dem Zusammenwirken mechanischer, elektronischer und informationstechnischer Elemente und Module in mechatronischen Systemen beschäftigt, kann an manchen Stellen von biologischen Systemen eine Menge lernen.
Mechatronische Systeme haben laut Definition die Aufgabe, mittels Sensorik, Prozessorik, Aktorik und Elementen der Mechanik, Elektronik und Informatik (und eventuell anderer Technologien) Energie, Stoff und/oder Information umzuwandeln, zu transportieren und/oder zu speichern. Ein biologisches System ist definiert als ein thermodynamisch offenes System in welchem Transport (von Stoffen und Informationen) und Selbstorganisation, also das Umwandeln von unstrukturierter Materie oder Information in strukturierte Elemente erfolgt. Dies erfolgt durch Informationsaufnahme, also Sensorik, Informationsverarbeitung und Weiterleitung und Schließlich durch Aktorik, welche chemisch, elektrochemisch oder mechanisch funktionieren kann. Die Äquivalenz mechatronischer und biologischer Systeme ist also offensichtlich.
Die Bionik (auch Biomimetik) beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von Erfindungen der belebten Natur und ihre innovative Umsetzung in der Technik. Die Bionik ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure, und Vertreter anderer Disziplinen (z.B. Architekten, Designer, etc.) zusammen arbeiten. Dabei liegt die Betonung auf arbeiten. Bionik bedeutet nicht, die Natur eins-zu-eins nachzubauen, sondern die Prinzipien zu verstehen und diese dann für die technische Lösung von Problemen einzusetzen. Dies kann sowohl in Bereichen der sogenannten Strukturbionik erfolgen, indem man Strukturen wie z.B. Pflanzen- oder Tieroberflächen, biologische Tragwerkskonstruktionen oder die Form von umströmten Körpern im Bereich der Biologie untersucht und die Erkenntnisse auf technische Probleme überträgt. Auch im Bereich der Informationsverarbeitung können Erkenntnisse übertragen werden. So können Optimierungsalgorithmen nach dem Vorbild der Evolution für diskontinuierliche, NP-vollständige oder hoch dimensionale Optimierungsaufgaben erfolgreich eingesetzt werden. Die Wegfindung von Ameisen kann algorithmisch zum Routing in Mobilnetzwerken oder zur Lösung kombinatorischer Probleme herangezogen werden. In all diesen Fällen können die Ansätze sowohl top-down, also vom Problem ausgehend, als auch bottom-up, also von der Grundlagenforschung ausgehend erfolgen.
Ein großes Problem der Bionik ist zur Zeit allerdings, dass "Bionik" ein gerne gebrauchtes Modewort ist, mit welchem sich populärwissenschaftliche Artikel oder wenig ausgegorene Ansätze noch verkaufen lassen. Insofern ist zu befürchten, dass Bionik einen schlechten Ruf erhält.
Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass die Akzeptanz von biologischen Ansätzen in der Technik und die Bereitschaft von Ingenieuren, sich mit biogischer Materie (und der Sprache der Biologen) zu beschäftigen, da und dort sehr gering ist.
Trotzdem können Ingenieure von den Biologen, aber auch die Biologen von den Ingenieuren eine menge lernen und so sehr fruchtbare Kooperationen insbesondere im Bereich der Mechatronik etablieren. |
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Gerhard HIRZINGER
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Leiter, Institut für Robotik und Mechatronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Oberpfaffenhofen-Wessling |
Abstract
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Der Vortrag erläutert die Bedeutung, die der Mechatronik als Schlüsseltechnologie unserer Industriegesellschaft zukommt. Neben der hierfür typischen Integration von Mechanik, Elektronik und Computerleistung, welche die Entwicklung intelligenter Mechanismen ermöglicht, wird auch die damit eng verbundene ganzheitliche Entwurfsoptimierung und 3D-Simulation immer wichtiger.
An Beispielen wird aufgezeigt, wie der moderne Maschinenbau in den Bereichen Industrierobotik, Flugzeug- und Fahrzeugtechnik zunehmend von solchen Mechatronik-Konzepten durchsetzt wird. Im Mittelpunkt der Ausführungen steht dann die Robotik allgemein. Es wird auf die Entwicklung der Weltraumrobotik und deren Fernsteuer- und Telepräsenzkonzepte eingegangen.
Es wird erläutert, wie die Weltraumrobotik zum Technologietreiber für terrestrische Leichtbau-Robotik geworden ist. Die Entwicklung ultraleichter Arme und mehrfingriger Hände macht das Potenzial der Mechatronik besonders deutlich und die Konzepte der Soft Robotik erlauben einen neuartigen Umgang vom Menschen mit Robotern, wie er nicht nur für künftige Robonauten, sondern auch die Produktionsassistenz in der Fabrik und die Servicerobotik unabdingbar ist.
Der Vortrag geht dann auf die geradezu revolutionäre Entwicklung der Chirurgierobotik ein sowie auf die Entwicklung künstlicher Organe und Gliedmaßen. Des Weiteren geht der Vortrag auf die Analogie von planetaren Rovern zum robotisch gesteuerten Elektromobil der Zukunft ein und beschreibt diesbezügliche Ansätze, wie sie in der DLR-Robotik derzeit entwickelt werden.
Mobile und fliegende mechatronische Systeme und Roboter schicken sich aber auch an, selbständig ihre Umwelt fotorealistisch in 3D zu modellieren. Der Sensordatenfusion z. B. aus Laserscan- und Kameradaten kommt dabei große Bedeutung zu. Die fotorealistische Modellierung von Landschaften und Baudenkmälern führt zur Begehbarkeit virtueller Welten, wie sie auch eine breite Öffentlichkeit faszinieren |
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Alfred HUTTERER
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Geschäftsführer, TRUMPF Maschinen Austria GmbH & Co. KG, Pasching |
Abstract
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Der Golem stellt ein aus Lehm und Ton künstlich gebildetes Wesen dar, das besondere Kräfte besitzt und Befehlen folgen kann. Die erste Erwähnung datiert auf das 12. Jahrhundert. In einem Text der Kabbala wird ein Ritual erwähnt, das durch bestimmte Kombinationen der 22 Buchstaben des hebräischen Alphabets mit den Sephirot - den 10 Urziffern - unbelebte Materie zum Leben erwecken kann.
Auf diese Weise schuf der Talmud- und Kabbala-Gelehrte Rabbi Judah Löw 1580 der Legende nach den berühmten Prager Golem. Heute würde man sagen, dass Rabbi Löw mit Hilfe von alphanumerischen Codes anorganisches Material programmierte und Achsbewegungen auslöste.
Aus Prag stammt nicht nur der Golem, sondern auch sein Neffe, der Roboter. Karel Capek leitete diesen Begriff 1921 vom tschechischen Wort Robot = Knecht ab.
Im 21. Jahrhundert stellen Mechatronische Systeme moderne Golems dar. Die Muskel werden heutzutage zusätzlich durch Aktoren verstärkt, das Gehirn durch Mikroprozessoren. Die Arbeitsanweisungen gibt eine alphanumerische Software, die über neuronale Bussysteme mit den Aktoren kommuniziert. Dies geschieht zunehmend drahtlos oder optoelektronisch, wobei auch die künstlichen Sinne - die Sensoren - kybernetisch in die Regelkreise integriert werden. Damit ein Mechatronisches System nicht wie der Golem außer Rand und Band geraten kann, wird sein Verhalten schon in der Designphase simuliert und der Zustand über Telediagnose überwacht. Erschaffen werden diese bewegten Körper nicht mehr von einem gelehrten und weisen Rabbi: Sie werden in interdisziplinärer Teamarbeit modelliert - zB im ACCM, dem Austrian Center of Competence in Mechatronics. |
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Roman SANDGRUBER
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Professor und Vorstand, Institut für Sozial- und Wirtschaftsgeschichte, Johannes Kepler Universität Linz |
Abstract
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Wir leben in einer künstlichen Welt, die in dieser Weise in der Natur nicht vorkommt: dies aber schon seit sehr langer Zeit: Es gibt in der Natur kein Rad, keine Mühle, keine Druckerpresse, kein Handy, & Wie Produkte die Verhaltensweisen der Gesellschaft verändern und beeinflussen, darüber hat die Geschichte unzählige Beispiele, große wie kleine, von der neolithischen Revolution, die die Landwirtschaft und damit das Produzieren erfunden hat, über die drei radikalen Erfindungen des Mittelalters, die Uhr, die Brille und die Druckerpresse, aber auch durch so unscheinbare Erfindungen wie Hosenknöpfe, Zündhölzer oder Kugelschreiber, bis zur mikroelektronisch-mechatronischen Revolution der jüngsten Geschichte, die die menschliche Arbeit und Entscheidung immer mehr zu ersetzen scheint.
Der Schalter, der Druckknopf, der Schlüssel, die Fernbedienung, mit denen das Licht eingeschaltet, der Geschirrspüler angeworfen, der Motor gestartet, der Fernseher bedient wird, sind zum Inbegriff unserer Zeit geworden. Der Strom fließt aus der Steckdose, das Mail kommt nahezu in Echtzeit, der Routenplaner führt einem ohne Kartenlesen zum Ziel & . Alles ist so einfach, so sauber, so rasch geworden, und ohne dass man den ganzen Aufwand merkt, der hinter den Systemen steckt. Man braucht sie nicht mehr zu verstehen und kann sie als Laie auch gar nicht mehr verstehen: weder bei einem modernen Automotor, noch bei einem Handy oder Computer. Der Benutzer ist angehalten, keine Reparaturen mehr auszuführen, das Gehäuse auf keinen Fall zu öffnen&
Natürlich sind das Errungenschaften, von denen die Menschen lange träumten: von den Siebenmeilenstiefeln, vom fliegenden Teppich, von der Gedankenübertragung, vom blitzschnellen Rechner, vom Automaten, Roboter, Golem und Maschinenmenschen. Die Produkte werden zwar effizienter und funktionaler, aber auch komplexer. Das stellt nicht nur enorme Herausforderungen an die Entwickler, sondern auch an die Nutzer. Die große Macht, die diese Techniken gewonnen haben, ist erst allmählich klar geworden.
Es werden nicht nur Bedürfnisse erfüllt, sondern neue Bedürfnisse geschaffen. Das Leben wird damit sehr erleichtert. Es wird für den Einzelnen auch sicherer. Die großen technischen Durchbrüche, von der neolithischen Revolution bis zur dritten industriellen Revolution und einer sich anbahnenden vierte, brachten gewaltige Leistungssteigerungen und Wohlfahrtszuwächse. Aber die Grenzen blieben, sie werden nur weiter hinaus geschoben. Die Risken werden damit größer, auch die Schwierigkeiten, sie zu überwinden. Der technische Fortschritt hat immer wieder in erstaunlicher Weise darauf reagieren können, auch wenn es oft sehr lange dauerte, bis Lösungen parat waren. Es waren die unabhängigen Erfinder, die in der Regel die großen Durchbrüche vorbereitet und geschafft haben, meist außerhalb der etablierten Unternehmen. Die Systeme selber haben ein großes Trägheitsmoment.
Der technische Fortschritt befähigt immer stärker, die Welt nachzuerschaffen. Inzwischen ist eine solche Macht über die Natur vorhanden, dass die natürliche Welt immer stärker in eine vom Menschen geschaffene Welt umgeformt wird. Frühere Erfinder besaßen nicht soviel Macht über die Natur. Zu ihrer Zeit blieb die Natur weitgehend die Umwelt, in welcher die meisten Menschen lebten. Aber die heutige, globalisierte Umwelt, ist eine vom Menschen geschaffene Welt. Der Mensch ist daher auch immer mehr verantwortlich, die Probleme, die daraus entstehen, selbst zu lösen und nicht der Natur zu überlassen. |
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Kurt SCHLACHER
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Professor und Vorstand, Institut für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung, Johannes Kepler Universität Linz |
Abstract
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Das Kunstwort Mechatronic wurde aus Mechanical
Engineering-Electronic Engineering Ende der Sechzigerjahre von
einer japanischen Firma eingeführt, und es bezeichnete Teile der
Feinmechanik, die von einer engen Abstimmung mechanischer und
elektrischer Komponenten bestimmt wurden. In den nachfolgenden
Jahren kamen weitere ingenieurswissenschaftliche Disziplinen wie
Informationsverarbeitung und Automatisierungstechnik so hinzu,
dass das Wort Mechatronik auch in seiner modernen Interpretation
als Kombination aus Mechanik, Elektronik und Informatik
hergeleitet werden kann. Die weitere technische Entwicklung
zeigte, dass eine Zuordnung vieler Probleme zu einer dieser
Disziplinen mit dem Ziel, dass diese alleine es zu lösen vermag,
nicht mehr möglich war. Dadurch entstand ein großer Bedarf nach
einer neuen ingenieurswissenschaftliche Disziplin, die diese
Trennung überwand. Das war die Geburtstunde der Mechatronik im
modernen Sinne. Mechatronische Geräte im Konsumbereich wie
Antiblockiersysteme, Antischlupfregelung, Camcorder, Kopierer,
etc. sind allgemein bekannt. Die industriellen Anwendungen nehmen
aber sicher die bedeutendere Rolle ein, denn Walzwerke und andere
Anlagen im Stahlbereich, Produktionsanlagen, Fertigungswerke z.B.
für Kraftfahrzeuge, Werkzeugmaschinen, etc. sind ohne Mechatronik
auf modernstem technischen Stand weder realisierbar noch
betreibbar.
Eine moderne Mechatronik ist ohne best ausgebildete akademische
Ingenieure nicht vorstellbar. Glücklicherweise nahm Österreich
eine Vorreiterrolle ein, und die Johannes Kepler Universität Linz
bot 1990 das weltweit erste universitäre Studium in Mechatronik
an, das bis heute überaus erfolgreich läuft und seitens der
Studierenden stark nachgefragt bleibt. Den Planern dieses
Curriculums war klar, dass ein Konglomerat aus Teilen der
Basisdisziplinen Mechanik, Elektrotechnik und Informatik mit
Ausrichtung auf Automatisierungs- und Regelungstechnik, der
falsche Ansatz sei. Vielmehr muss auf den gemeinsamen Grundlagen
dieser Disziplinen, also Mathematik und Physik, aufgebaut und
dann in kohärenter Weise in diese Disziplinen so eingeführt
werden, dass am Ende des Studiums auch eine partielle
Spezialisierung mit aktuellstem Wissen erreicht wird.
Fähigkeiten, wie das Denken in vernetzten Strukturen und Systeme
getragen von einem soliden Grundlagenwissen, Arbeiten in Gruppen,
etc. müssen hier besonders gefördert werden, damit ein hochgradig
interdisziplinärer Ansatz erfolgreich sein kann.
Der Nutzen eines Mechatronik Curriculums obigen Zuschnitts sowohl
für die Studierenden als auch ihre späteren Arbeitgeber ist
offensichtlich, vorausgesetzt diese anspruchsvollen Ziele werden
erreicht. So muss das Studium studierbar bleiben; es steht ein
Zeitraum von 10 Semester zur Verfügung, der in einen Bachelor und
Master-Teil zerfällt. Die dreigliedrige Struktur Bachelor, Master
und PhD fordert zumindest in ihrer österreichischen
Interpretation eine frühe Spezialisierung und wirkt einer
Interdisziplinarität damit entgegen. Auch mancher Arbeitgeber hat
die Auftrennung in die alten Disziplinen bei Forschung,
Entwicklung, Produktion, aber auch bei der Verantwortsstruktur
noch nicht überwunden. Somit ergeben sich in diesem Spannungfeld
zahlreiche Grenzen, die das Erreichen eines hohen und
durchschlagenden Nutzens hochgradig interdisziplinärer Curricula
und damit auch der Mechatronik zu verhindern vermögen. Das Ziel
dieses Vortrags ist es eine erste Diskussionsgrundlage für diese
Problematik zu schaffen. |
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Bernhard ZAGAR
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Professor und Vorstand, Institut für Elektrische Messtechnik, Johannes Kepler Universität Linz |
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Gerald SCHATZ
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LCM - Managing Director, Linz Center of Mechatronics GmbH and ACCM - Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH, Linz |
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Chair |
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Anke MERKL-RACHBAUER
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Manager, Investor Relations and Location Management, Business Upper Austria - OÖ Wirtschaftsagentur GmbH, Linz |
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Coordination |
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