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Zukünftige Weltraumgeräte, inspiriert von Spinnenbeinen

Wie andere Spinnen beugt auch diese Vogelspinne aus Mexiko (Brachypelma Smithii) die Beine nicht mit Muskeln und Knochen, sondern mit einem unter Druck stehenden Flüssigkeitssystem, das die Gelenke ausdehnt und zusammenzieht. Wissenschaftler haben Geräte für Weltraumroboter und sogar Kleidung entwickelt, die auf dem Spinnenmechanismus basieren. Fotonachweis: Jürgen E. Haug.

Sind Spinnen ideale Raumfahrer? Nicht ganz, aber laut einer neuen Studie könnten ihre Beine sein. Die Wissenschaftler Carlo Menon und Cristian Lira haben leichte, biegsame Gelenke entworfen und gebaut, die auf dem mikrohydraulischen Gelenksystem der Spinnenbeine basieren. Der aufblasbare „Smart Stick“ des Duos muss viele der rauen Umgebungsbedingungen wie Temperaturbereich, Druck und atmosphärische Zusammensetzung überwinden.

In einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Bioinspiration and Biomimetics erklären Menon und Lira, wie die meisten Tiere Muskeln benutzen, um ihre Gelenke zu beugen, aber Spinnen besitzen keine solchen Extensoren. Stattdessen haben diese knochenlosen Spinnentiere Beine, die am Prosoma oder am Hauptkörper befestigt sind, der durch Zusammenziehen und Ausdehnen Flüssigkeit in die Beine pumpt. Obwohl Spinnen keine Venen oder sogar echtes Blut haben, füllt eine unter Druck stehende Flüssigkeit, die Hämolymphe genannt wird, die offenen Räume im Körper einer Spinne.

"Unser Forschungsansatz ist es, Inspiration aus der Natur zu gewinnen, um neue Weltraumtechniksysteme zu entwickeln", sagte Menon gegenüber PhysOrg.com . "Wir haben erkannt, dass die Eigenschaften der Hydrauliksysteme der Spinnen dem Bedürfnis nach großer Miniaturisierung und hoher Kraft / Masse-Relation entsprechen, die von Raumaktuatoren gefordert werden."

Der Smart Stick der Wissenschaftler ist mit 1 mm Durchmesser nur wenig größer als ein echtes Spinnenbein. Mit einem Gelenk kann der Stab etwa 1, 8 Grad gebogen werden, und die Wissenschaftler haben ein einfaches, modulares System entwickelt, das die Verbindung mehrerer elastischer Gelenke zum weiteren Biegen ermöglicht. Jedes Modul besteht aus einem aufblasbaren elastischen Aktuator, der verschiedene Segmente trennt und zwischen den Gelenken verläuft ein Schlauch. Um den Smart Stick zu biegen, wird das Wasser im Schlauch mit Druck beaufschlagt, wodurch sich die elastischen Antriebe mit Wasser füllen und die Segmente auseinander drücken (siehe Abbildung). Sensoren messen den Druck und geben dann eine Rückmeldung an die Steuereinheit, in der mehr oder weniger Wasser unter Druck steht.

Der Smart Stick biegt sich ähnlich wie die Spinnenbeine. Durch das Betätigungsrohr (grün) fließt unter Druck stehende Flüssigkeit, wodurch das elliptische Minirohr anschwillt und sich die Gelenke verbiegen. Die Flüssigkeit kann so gesteuert werden, dass sich der Smart Stick in verschiedenen Formen biegt. Bildnachweis: Carlo Menon und Cristian Lira.

"Weltraumanwendungen erfordern Strukturen, Mechanismen und Systeme, die anspruchsvolle Aufgaben erfüllen und gleichzeitig Volumen und Masse auf ein Minimum beschränken können", betonten die Wissenschaftler die Bedeutung von hauchdünnen Strukturen im Weltraum. „Durch das Falten und Verformen des Minirohrs werden mechanische Anschlüsse vermieden, wodurch das System einfach, zuverlässig und leicht wird.“

Aufblasbare Mechanismen bestehen nicht nur aus leichten Materialien, sondern müssen auch energiereichen Partikeln, geladenen Partikeln sowie Sonnen- und Weltraumstrahlung ausgesetzt sein, wenn sie über die Erde hinausreisen. In diesem ersten Lauf haben Menon und Lira den Smart Stick für die Bedingungen auf der Erde entwickelt und prognostizieren, dass die Zukunft des Smart Sticks von der Verwendung flexiblerer Materialien und der Integration eines geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs in das System abhängt. Ein geschlossener Kreislauf würde den Hydraulikdruck erhöhen und die für die Raumfahrt erforderlichen Probleme wie Leckage und Ausgasung überwinden.

"Leichte Gelenke könnten möglicherweise in mehrere Raumfahrtmechanismen integriert werden", sagte Menon. "Zum Beispiel könnten sie in miniaturisierten Robotersystemen mit verteilten Probeneinheiten, in miniaturisierten Greifern oder eingebettet in faltbare / entfaltbare Systeme implementiert werden."

Auch wenn es etwas länger dauert, bis der Smart Stick auf den Weltraum trifft, haben die Wissenschaftler bereits Ideen für die terrestrische Verwendung der Fluidaktorkomponente des Smart Stick. Lira untersucht auch ein tragbares, elastisches Textil namens „Variable Structure Fabric“, das die Körperhaltung von Menschen auf komfortable Weise verbessert. Dies ist besonders nützlich, wenn die Arbeitsbedingungen lange Stand- oder Sitzzeiten erfordern.

"Die Aktuatoren in 'Variable Structure Fabric (VSF)' beinhalten ein neues Konzeptdesign miniaturisierter fluidischer Aktuatoren, die dann in Stoffartikel eingefügt werden", erklärt Liras Webseite (VSFproject.com). "Verwendet dafür Polster, technische Bekleidung, Unterwäsche und Fahrzeuginnenverkleidungen (basierend auf Smart Stick)."

Zitat: Menon, C. und Lira C. „Aktive Artikulation für zukünftige Weltraumanwendungen, inspiriert vom Hydrauliksystem der Spinnen.“ Bioinspiration und Biomimetik . 1 (2006) 52-61.

Von Lisa Zyga, Copyright 2006 PhysOrg.com