Smarte Adaptive Materialien und Agenten

PD Dr. Stefan Bosse
University of Koblenz-Landau, Fac. Computer Science
University of Bremen, Dept. Mathematics & Informatics
6.3.2019

Inhalt

Einführung

Smarte Materialien

Ein intelligentes Material bietet die folgenden Hauptmerkmale:

Wahrnehmung

Perzeption unter Verwendung verschiedener Arten von Sensoren, z. B. Messen von Dehnung, Verschiebung, Temperatur, Druck und Kräften;

Änderung

Änderung lokaler Material- und Struktureigenschaften durch Aktuatoren, z. B. Steifigkeits- oder Dämpfungsänderung;

Integrierte Informations- und Kommunikationstechnologien

Datenverarbeitung, Sensorfusion, Steuerung, Maschinelles Lernen

Verteilter Ansatz

Lokale Sensorverarbeitung und Aktuatorsteuerung - Globale Zusammenarbeit und Koordination.

Self-* Fähigkeit

Robustheit, Selbstorganisation, Selbstadaptivität, Selbstheilung

Smarte Materialien

Smarte Materialien: Fusion von Sensorischen- und Adaptiven Materialien mit Informationsverarbeitung

Sensorisches Material

Ein Material oder Struktur mit integrierter Sensorik und Datenverarbeitung (ICT)

Adaptives Material

Ein Material mit integrierter Sensorik, Datenverarbeitung und Aktoren, die Materialeigenschaften steuern und ändern können

Robotisches Material

Ein Material oder eine Struktur mit integrierter Sensorik, Datenverarbeitung und Aktoren, die Materialeigenschaften oder Strukturformen steuern und ändern können

Adaptronisches Material

Synonym für robotisches Material (oder vice versa)

Smarte Materialien

Skalen

Mikroebene

Eigenschaften und Strukturgrößen der Materialien und Werkstoffe

Mesoebene

Eigenschaften und Strukturgrößen von Mikrosystemen

Makroebene

Eigenschaften und Strukturgrößen von robotischen Systemen

Stellvariablen

  1. Struktureigenschaften (Netzwerkstrukturen)
  2. Mechanische und Materialeigenschaften

Smarte Materialien

Aktoren

Thermisch stimulierte Polymere (Thermoplaste), optisch stimulierte Polymere, aktiv angetriebene Mikroaktoren, Ferrofluide, ..

Sensoren

Temperatur, Dehnung, ..

figadapStructMcEvoy

Abb. 1. Beispiel einer adaptiven robotischen Struktur (Mesoebene, Thermoplaste und Dehnungssensoren in Balkenstruktur) [1]

Smarte Materialien

Bioinspirierter Ansatz

figadaptronics3

Abb. 2. Der bioinspirierte Ansatz für robotische Strukturen: a) aktive Materialien, b) induzierte Dehnungsaktuatoren, c) integrierte aktive Sensoren; d) multifunktionale Kompositionen, e) Mikrocontroller [8]

Smarte Materialien

Photosensitive Polymere

  • Unter Einfluss von (UV) Licht verändert sich die Verkettung von Polymeren was zu einer Formänderung führt

figbpmtd1

Abb. 3. Bioinspired photocontrollable microstructured transport device (BIPMTD, Uni Bremen, Staubitz, [7])

Programmierbare Materie

  • Im Prinzip ein robotisches System (Material) auf Meso- bis Makroebene
  • Robotisches Material mit strukturellen Rekonfigurationseigenschaften → Topologie
  • Reine Strukturoptimierung, keine Materialadaption möglich

figclaytronic1

Abb. 4. Beispiel Claytronic [3]

Robotische Materialien

  • Adaptives Material → Mikroebene, kontinuierliches Material, diskrete Sensor-Aktor Knoten

  • Robotisches Material → Mesoebene, kontinuierliches Material, aber segmentiert, diskrete Sensor-Aktor Knoten

  • Grundprinzip: Kontinuierliche Materialeigenschaften mit diskreter bereichsbasierter Berechnung

figadapmat2

Abb. 5. Adaptives und robotisches Material: Architektur [4]

Robotische Materialien

Grenzfall

  • Übergang von robotischen zu adaptiven Materialien ist fließend; Grenze nicht klar definiert
    • Verkleinerung des Aktionsvolumens/bereichs eines Sensor-Aktor Knotens
    • Verkleinerung von Sensoren und Aktoren
    • Übergang von diskreten auf kontinuierliche Sensoren und Aktoren (Sensormaterial ..)

Beispiel Mechanische Innere Dehnungsenergie

\[\begin{gathered} U = \mathop {\lim }\limits_{N \to \infty } \sum\limits_{i = 1}^N {{u_i}} \approx 1/2 \int\limits_V^{} {{\varepsilon ^T}} \sigma \varepsilon dV \hfill \\ {u_i} \in V = \sum\limits_{j = 1}^n {d_j^2} \hfill \\ \end{gathered} \]

[5,6] ε: Lokaler Dehnungstensor, σ: Lokaler Spannungstensor

Sensorische Materialien

Sensorische Materialien sind Materialintegrierte Intelligente Sensorische Systeme [9]

figsensmat2

Materialintegrierte Sensorische Systeme

Material. Technische Strukturen, wie z. B. mechanische Strukturen in robotischen Systemen, e-Textilien, Windradflügeln, Flugzeugstrukturen, usw.

Sensor. Messung einer physikalischen Größe, Wandlung i.A. in elektrische Größe, Intrinsisch (innerer Zustand / Stimulus), Extrinsisch (von außen her angeregt), z.B. Dehnungssensorik

Sensorisches System. Zusammenschluss von Sensoren, Elektronik, Kommunikation und Energieversorgung in Sensornetzwerken

Sensorisches Material. Integration oder Applikation eines sensorischen Systems in Materialien oder Strukturen [9]

figsensmat1

Sensorevolution

Intelligente Sensoren und Erhöhung der Sensordichte

  • Entwicklung von Sensoren mit integrierten Informations- und Kommunikationstechnologien
    • Generation 1: Diskrete Sensoren, getrennte Sensorverarbeitung
    • Generation 2: Integrierte Smarte Sensoren
    • Generation 3: Netzwerke und Internetkonnektivität
    • Generation 4: Sensorclouds, IoT, MIIS