Am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart wird seit über einem Jahr an bionischen Gelenken geforscht. Die Forschungsarbeiten sind inzwischen auch unter dem Titel der sogenannten SES-Gelenke (Spider-inspired Electrohydraulic Soft-actuated joints) bekannt geworden. 

Die CMOS-Kamera Phantom v2640 vom Vertrieb Deutschland High Speed Vision liefert die erforderlichen Ultra-Highspeed-Bildsequenzen (U-HS) für die genauen Bewegungsanalysen. Damit lassen sich quantitativ und qualitativ die Beschleunigung, Geschwindigkeit und das Bewegungsverhalten eines Gelenkarmes – zeitgedehnt mit sehr hoher Bildauflösung – sehr genau verfolgen. Mit dem gleichzeitigen Verfolgen der geometrischen Verformung dieser Aktuatoren, einschließlich dem darin erfolgenden Fließen der Flüssigkeit (Strömungsverhalten), analysiert das auch viele andere wichtige Aspekte und Funktionsfaktoren. Die High-Speed-Videosequenzen (HS) ermöglichen eine detaillierte Bild zu Bild Analyse bei Dehnungsraten bis zu 7.000 Prozent/s, Arbeitsbereiche über 100.000 Bilder/Sekunde, welches einer Schrittweite von 0,01 Millisekunden entspricht. Diese werden zeitsynchron zu anderen Messdaten erfasst.

Logische Vorgänge im Bereich von Millisekunden werden sehr exakt aufgezeichnet, um daraus präzise Aussagen zu extrahieren. Orientierungsgröße ist beispielsweise ein Beutel von 1 cm Länge, der mit 0,1 Millisekunden bei Full-HD Auflösung und 10.000 Bilder/Sekunde aufgenommen wird. Das ermöglicht das Erfassen von Bewegungsdifferenzen im Bereich von 0,001 mm. 

Mit Ultra-Highspeed-Kameras stets die gesamte Aktuator-Geometrie erfassen

Im Laufe der Versuche ergeben sich ständig weiterführende Fragen. Daraus folgend neue Anforderungen in der Grundlagenforschung der SES-Gelenke, die die Forscher am Max-Plank-Institut untersuchen. Im Unterschied zu Lasern, die nur punktuelle Messungen ermöglichen, verfolgen die Wissenschaftler mit den Aufnahmen der Ultra-Highspeed-­Kameras stets die gesamte Aktuator-Geometrie mit einer großen Bandbreite von präzisen Informationen. Gleichzeitig mit der Beutelverformung und Gelenkbewegung können beispielsweise auch winzige Luftblasen in der Gelenkflüssigkeit verfolgt werden. Das liefert wichtige Hinweise auf das Strömungsverhalten der Flüssigkeit im Beutel, entsprechend der jeweils angelegten Spannung. 

Bis zu 300.000 Bilder/Sekunde

Die Phantom v2640 ist laut Hersteller die weltweit schnellste 4-Megapixel-Kamera bei einer Framerate von 6.600 Bilder/s und 12-bit Bildauflösung. In reduzierter Auflösung erreicht sie 300.000 Bilder/s und bei einer minimalen Belichtungszeit von 142 ns. Im Binned-Mode (2x2 Pixel) erhöht sich die Lichtempfindlichkeit von Mono 16.000 ISO auf 25.000 ISO. 
Die hohe Lichtempfindlichkeit ermöglicht Aufnahmen bei Tageslicht. Das erleichtert die Handhabung, und vereinfacht den ganzen Versuchsaufbau erheblich. Es ist keine aufwändige Zusatzbeleuchtung nötig, deren eventuelle Einflüsse (Wärmeeintrag) den Versuch beeinträchtigen könnte. Die hohe Lichtempfindlichkeit bietet auch noch den Vorteil, die Blende der Objektive weitgehend schließen zu können, um die Tiefenschärfe zu erhöhen. 
Weitere Merkmale der Phantom v2640:

• Eine interne Abtastrate von 26 Gpx/s,
• ein Ringspeicher, der bis auf 288 GB aufgerüstet werden kann,
• eine 10-GB-Ethernet Schnittstelle,
• ein optionaler Cinemag-V-Speicher mit bis zu 8TB Volumen (288 GB können hier in unter 5 Minuten heruntergeladen werden) sowie
• eine menügeführte Kamera-Bedien­oberfläche. 

Nächster Schritt: Bewegungen dreidimensional erfassen

Es geht darum, die gesamte Dynamik in allen Aspekten mit hoher messtechnischer Auflösung zu untersuchen. Die Kombination von Messtechnik mit den einzelnen Bildern von HS-Video zeitlich exakt synchronisiert, qualifiziert die Aussagen von den jeweils erfassten Ereignissen. 
Durch das Hintereinanderschalten mehrerer Gelenke und Fingern lässt sich die Griffkraft und Dynamik vielseitig gestalten. Das erste Gelenk könnte kraftvoll sein, das letzte sehr sanft. Das bezieht sich nicht nur auf die jeweils ausgeübte Kraft, sondern auch auf die Beschleunigung der Gelenkteile. In einem zukünftigen Schritt mit einer weiteren Kamera wollen die Wissenschaftler auch dreidimensional mit Ultra-HS-Video arbeiten.

Autor
Kamillo Weiß, Fachjournalist