This thesis describes the development of new actuators and the evaluation of new actuator principles. This research has its origins in investigations of the transmission of mechanical energy from an actuator to an effector. The goal is to generate selection criteria for the usability of actuators. At first only the static case was analysed. In the static case, between linear elements a maximum of 25% of the actuator energy can be transferred to the effector. Non-linear actuator characteristics are able to realise a higher efficiency. The dynamic case is not evaluated by comparing varieties but by determining an optimal acceleration process that is used as values-of-orientation trajectory of the motion process. The result of the optimisation is non-linear characteristics that are very similar to the ones of biological drives. Biomimetic cascaded actuators are able to generate both linear and non-linear characteristics as shown in simulation calculations. Force as well as displacement can be accumulated as well as subdivided into finer increments. The stiffness of cascaded actuators can be varied during contraction by the design. On this way, drives can be tailoured to static or dynamic tasks. Apart from the variable path of motion (trajectory) three dimensional cascades allow a three-dimensional motion as a new quality of motion. The concept for a cascaded actuator based on polarized magnetic bridges has been developed. The magnetic bridge is a very sensitive magnetic setup. It has been adapted to the needs of a linear actuator. Furthermore a concept for a magnetomechanical logic of an integrated control of magnetic bridges has been developed. Application areas of biomimetic cascaded actuators are direct drives which move objects to defined positions and keep them in place without energy consumption. Cascaded actuators for industrial use have to be produced using microtechnical methods.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in die Entwicklung neuer Antriebe und die Bewertung von Aktorprinzipien ein. Ausgangspunkt sind Untersuchungen zur Übertragung mechanischer Energie vom Aktor zum Wirkelement mit dem Ziel daraus Auswahlkriterien für Aktoren abzuleiten. Zunächst wird der statische Fall analysiert. Im statischen Fall können zwischen linearen Elementen maximal 25% der Aktorenergie an das Wirkelement weitergegeben werden. Mit nichtlinearen Antriebskennlinien ist ein höherer Wirkungsgrad der Energieübertragung erreichbar. Die Bewertung des dynamischen Verhaltens der Antriebe erfolgt nicht über Variantenvergleich, sondern durch das Bestimmen eines optimalen Beschleunigungsprozesses, der als Vergleichstrajektorie für Antriebskennlinien dient. Das Ergebnis der Optimierung sind nichtlineare Kennlinien, die denen biologischer Antriebe qualitativ sehr ähneln. Mit biomimetischer Kaskadierung von Aktoren können sowohl lineare als auch nichtlineare Kennlinien erzeugt werden, was in Simulationen nachgewiesen wird. Sowohl Kraft als auch Weg können aufsummiert, aber auch in feiner inkrementierte Schritte unterteilt werden. Die Steifigkeit der kaskadierten Antriebe kann mit fortschreitender Kontraktion durch die konstruktive Gestaltung variiert und die Antriebe so für statische oder dynamische Aufgaben zugeschnitten werden. Neben dem veränderten Bewegungsablauf ermöglichen räumliche Kaskaden auch dreidimensionale Bewegungen als neue Bewegungsqualität. Das Konzept eines kaskadierten Antriebes mit polarisierten Magnetbrücken wird entwickelt. Die magnetische Vollbrücke als besonders empfindliche, bistabile, polarisierte Magnetanordnung wird an die Forderungen einer Magnetkaskade angepasst. Damit liegt das Konzept einer integrierten magnetomechanischen Logik zur Ansteuerung der Magnetbrücken vor. Einsatzgebiete biomimetischer, kaskadierter Aktoren sind vor allem integrierte Direktantriebe, die Objekte in eine Position bringen und dort energiefrei halten sollen. Die mikrotechnische Herstellung kaskadierter Mikroaktoren ist eine Voraussetzung für deren industriellen Einsatz.