Smart Inversion: Würfel fliegt, indem er sich umstülpt

Sanft schwebt das komplexe Gebilde unter der Decke. Es faltet sich auf eine ungewohnte Weise, stülpt sich um und bewegt sich so langsam vorwärts. Das Gebilde sei ein Würfelgürtel, es entstehe, wenn von einem Würfel zwei Ecken entfernt würden, erklärt Tobias Langscheid dem staunenden Publikum am Stand des schwäbischen Unternehmens Festo auf der Hannover Messe (Halle 15, Stand D07). Entdeckt habe das Prinzip des sich umstülpenden Würfels 1929 sein Großvater, der Schweizer Künstler und Wissenschaftler Paul Schatz.

Dritte Bewegung

Smart Inversion hat Festo den schwebenden Würfelgürtel genannt - nach der Bewegungsform, die Schatz Inversion oder Inversionskinematik genannt hat. Damit wolle das Unternehmen zum Nachdenken anregen, erklärt Festo-Sprecherin Pamela Berner im Gespräch mit Golem.de. Ziel sei, neben den bekannten Bewegungsformen der Translation, also einer geradlinigen Bewegung, und der Rotation, also der Drehung, eine weitere Bewegungsform für industrielle Prozesse nutzbar zu machen.

Der Würfelgürtel besteht aus sechs Prismen mit einer Kantenlänge von je rund 1,80 Metern, die aus je sechs Kohlefaserstäben aufgebaut sind. Jedes Prisma ist mit einer durchsichtigen Membran umhüllt, die von Schotten in Form gehalten wird. Rund 4,5 Meter misst der aufgefaltete Würfel - dabei wiegt die Leichtbaukonstruktion gerade mal 2,3 Kilogramm. In der Schwebe gehalten wird er von seiner Füllung: Im Inneren der Komponenten befinden sich rund 2.100 Liter Helium, die genug Auftrieb erzeugen, dass der Würfelgürtel in der Luft bleibt.

Pulsierende Bewegung

Das Bewegung des Umstülpens entsteht, indem sich die Prismen um ihre Längsachse drehen. So entsteht eine unendlich pulsierende Bewegung. Vier Phasen hat eine solche Umstülpung: Zuerst öffnet sich das Zentrum und wird zu einem mit der Spitze nach unten stehenden Dreieck. In den folgenden zwei Phasen schließt sich das Dreieck jeweils. Vortrieb wird allerdings nur in den ersten beiden Phasen erzeugt. In Phase drei und vier hingegen bewegt sich der Würfelgürtel nicht.

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Smart Inversion in der Luft auf der Hannover Messe 2012 (Foto: Werner Pluta/Golem.de)

Als Antrieb dienen drei Servomotoren. Um diese komplexe Bewegung zu erzeugen, liefen die Motoren unterschiedlich, erklärt Agalya Jebens, die an der Entwicklung des Würfelgürtels beteiligt ist. Jeweils zwei Motoren liefen vor, der dritte hingegen laufe nach und bewege sich entgegengesetzt. So erzeugten die Motoren eine fortlaufende Bewegung ohne einen toten Punkt.

ARM-Prozessor und Sensoren

Gesteuert wird die Umstülpung von einer Onboard-Unit mit einem Mikrocontroller LM3S5749 von Texas Instruments, der mit einem ARM-Kern arbeitet. Auf der Onboard-Unit ist das mathematische Modell für die Bewegung hinterlegt. Hinzu kommen Sensoren wie ein Magnetometer und ein Accelerometer. Den Strom für Mikroprozessor, Sensorik und Motoren liefert ein Lithium-Polymer-Akku mit einer Kapazität von 450 mAh. Mit einer Akkuladung kann der Würfel etwa 20 bis 30 Minuten lang schweben. Während des Fluges überwacht eine Software den Zustand des Systems. In Echtzeit werden Daten wie Batterieladezustand und Stromverbrauch erfasst.

Bedient wird Smart Inversion über eine Smartphone-App: Darüber können Daten über das Flugobjekt wie den Gasdruck abgerufen oder dessen Lichter eingeschaltet werden. Über die App wird der Würfelgürtel auch gesteuert. Der Nutzer gibt die Richtung, in die der Würfel fliegen soll, vor, indem er das Smartphone in die entsprechende Richtung neigt.