Von der Dampfmaschine zum Mikrochip: die Mechatronik

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts spielt Mechatronik in der Arbeitswelt eine große Rolle. Mechatroniker kombinieren wichtige Aspekte aus vielen naturwissenschaftlichen Feldern, um die Gesellschaft voran zu bringen.

Die Mechatronik besteht aus mehreren Disziplinen des Ingenieurwesens. Sie ist eine Kombination aus Elementen der Elektronik, Informatik und der Mechanik. Auch weitere Felder wie die Mikrosystemtechnik, Feinwerktechnik oder Elektromechanik sind mit ihr stark verwoben. Um die Geschichte der Mechatronik zu verstehen, muss also zuerst auf die Geschichte der ihr zugrundeliegenden Disziplinen eingegangen werden.

Die Elektronik

Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und ihre Geschichte kann bis in das 19. Jahrhundert zurückverfolgt werden. Das chemische Element Selen spielt hier eine wichtige Rolle. 1873 entdeckte der englische Elektroingenieur Willoughby Smith, dass das Element bei Lichteinfall elektrischen Strom leiten kann. Dieser Prozess wird als der Photoelektrische Effekt bezeichnet. Ein Photon, das von der Lichtquelle zum Zielstoff geschickt wird, wendet dabei genug Energie auf, um ein Elektron aus seiner Bindung herauszulösen. Durch die Freisetzung der Elektronen war Selen nun in der Lage, elektrischen Strom zu leiten.
Der deutsche Physiker Karl Ferdinand Braun entdeckte darauf basierend ein Jahr später den Gleichrichtereffekt. Dieser Effekt machte es möglich, Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln, was die Erforschung des Feldes erheblich voranbrachte.
Als Strom eine immer wichtigere Rolle in der Gesellschaft einnahm, wurde das Elektron als Träger der Energie zum Namensgeber der Elektronik.
Es war ebenfalls Braun, dem 1897 mit der Braunschen Röhre ein weiterer Durchbruch gelang. In der Röhre gelang es Braun, einen gerichteten und gebündelten Elektronenstrahl zu erzeugen. Magnetische und elektrische Felder in der Röhre machten es möglich, den Strahl so zu verändern, dass ein sichtbares Bild entstand. Diese Technik diente lange als Grundlage für das Bild des Röhrenfernsehers, ehe die Technik von Plasma- und LC-Bildschirmen abgelöst wurde.
Mit der Erfindung des ersten Transistors 1948, der auf Halbleitertechnologie basierte, konnten in den 1960er Jahren integrierte Schaltkreise geschaffen werden. Diese Technologien bilden die Grundlagen für alle Computer.

Informatik

Die Informatik beschäftigt sich mit Informationen. Die Darstellung, Speicherung Verarbeitung und Übertragung von Informationen stehen im Mittelpunkt der Wissenschaft.
Sie basiert auf der Mathematik und verwendet ein binäres Zahlensystem, um Berechnungen durchzuführen.
Der deutsche Mathematiker Leibniz war es, der bereits Ende des 17. Jahrhunderts das Binärsystem verwendete, um eine analoge Rechenmaschine zu entwickeln.
Die Entwicklung der Booleschen Algebra im 19. Jahrhundert bildet eine weitere wichtige Grundlage für die Informatik. Besonders die Booleschen Operatoren, UND, ODER und NICHT haben in der Informatik eine wichtige Stellung.
Der britische Mathematiker Alan Turing wird oft als Urvater der Informatik gehandelt. 1936 veröffentlichte er die Turingmaschine, ein Rechnermodell, dass die Funktionsweise von Computern analog, auf Papier, darstellte. Er schaffte es somit, Algorithmen und Programme zu repräsentieren und legte einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung von Digitalrechnern, die später im 20. Jahrhundert unsere Gesellschaft für immer veränderten. Immer komplexer werdende Programmiersprachen und auf ihnen basierende Computerprogramme sind in der Lage, hochkomplexe mathematische Probleme in Sekundenbruchteilen zu lösen.

Die Mechanik

Die älteste der drei Disziplinen beschäftigt sich mit der Bewegung von Körpern und den Kräften, die während dieser Bewegungen wirken.
Bereits der griechische Wissenschaftler Archimedes konnte im dritten Jahrhundert vor Christus mit dem Hebelgesetz die Grundlage für die Mechanik legen. Es beschreibt einen Hebelarm, der von einem Drehpunkt ausgeht. Je nach Entfernung von diesem Drehpunkt können verschieden schwere Gewichte trotzdem eine Balance erzielen.
Galileo Galilei legte dann im 17. Jahrhundert die Grundlage für alle modernen Naturwissenschaften, mit seiner experimentellen Vorgehensweise. Vor Galilei waren Wissenschaften vor allem auf Vermutungen aufgebaut, doch er setzte auf Beweise der Theorien durch Experimente.
Isaac Newton erweiterte die klassische Mechanik dann um den Impuls, der jedem Objekt zugeordnet werden kann. Der Impuls wird durch das Multiplizieren der Masse des Objekts und dessen Geschwindigkeit gebildet.
Die Differentialrechnung, die Gesetze der Drehbewegung und viele weitere Erkenntnisse weiteten die klassische Mechanik erheblich aus. Heute wird die Mechanik in die Kinematik und Dynamik unterteilt.

Die Geschichte der Mechatronik

Der Begriff ist eine Mischung aus den beiden Wörtern Elektronik und Mechanik, was deren Einfluss auf die Disziplin noch einmal hervorhebt.
1969 verwendete der japanische Ingenieur Tetsura Mori zum ersten Mal diesen Begriff. Er soll das Zusammenwirken der Disziplinen Mechanik, Elektronik und Informatik beschreiben, um Energie, Materie oder Informationen umzuwandeln, zu transportieren oder zu speichern.
Mori arbeitete bei der Yaskawa Electric Corporation, wo elektronische Methoden verwendet wurden, um mechanische Werkzeuge herzustellen. Um diesen Prozess richtig zu beschreiben, erfand Mori das Wort Mechatronik.
In den 1980er Jahren wurde die Informatik dann stärker in die Disziplin integriert. Maschinen konnten durch Computertechnologie besser gesteuert werden und Elektronik und Mechanik wurden erheblich unterstützt.
Beispiele für heutige mechatronische Systeme sind automatisierte Getriebe, Digitalkameras, EPS in Automobilen oder Windkraftanlagen.

Die Zukunft

Die Technik der Zukunft ist schwer vorherzusagen, vor allem, da die mechatronische Disziplin so breit aufgestellt ist.
Ein in der Zukunft wichtiges Feld wird aber sicher die Mikro- oder Nanomechatronik sein. In Kombination mit der Biologie werden vor allem in Japan Forschungen angestellt, Lebensformen mit mechatronischen Maschinen zu verbinden. Humanoide Bauroboter werden dort zum Beispiel stark erforscht.
Das Internet und die immer größer werdende Bedeutung der Informatik ist auch wegweisend. Eine auf mechatronischen Prinzipien basierende Maschine mit künstlicher Intelligenz könnte ein Trend der Zukunft sein.
Die Entwicklung von Robotern wird ebenfalls immer wichtiger für die Gesellschaft. Die Robotik war schon lange ein klassisches mechatronisches Fach, wo auch in Zukunft die Entwicklung vorangetrieben werden kann. Immer agilere und komplexere Roboter können Menschen den Alltag weiter erleichtern und gefährliche Arbeiten abnehmen.
In China werden Roboter beispielsweise heute schon millionenfach genutzt, um alten Menschen im Haushalt zu helfen oder Einkäufe zu erledigen.
Die Mechatronik hat also eine strahlende Zukunft.

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