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Januar 1980: Legierungen, die sich an Formen erinnern

Formt man einen Gegenstand aus einer Legierung mit Erinnerungsvermögen bei einer bestimmten Temperatur und deformiert ihn danach bei einer anderen Temperatur, so kehrt er von allein zu seiner ursprünglichen Gestalt zurück, wenn man ihn erwärmt. Dieser Effekt läßt sich in vielfältiger Weise ausnutzen.
Metalle in Würfelform

Gewöhnlich charakterisiert man Metalle durch ihre Zugfestigkeit, ihre Dehnbarkeit, ihre Schmiedbarkeit und ihre Leitfähigkeit. Bei einer neuartigen Familie von Legierungen kommen zu diesen physikalischen Eigenschaften Erinnerungsvermögen und Lernfähigkeit hinzu: Gegenstände, die aus solchen Legierungen gefertigt werden, können sich an Formen »erinnern«. Wenn man sie bei einer bestimmten Temperatur plastisch verformt und anschließend erwärmt, nehmen sie ihre ursprüngliche Gestalt wieder an. Dabei können solche Materialien Kräfte erzeugen und Arbeit leisten. Aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften helfen gestalterinnernde Legierungen bei der Lösung vieler Probleme. Beispielsweise fertigt man aus ihnen einfache und lecksichere Kupplungen in pneumatischen und hydraulischen Leitungen sowie sichere Kontakte in elektronischen Geräten. Man verwendet sie in mechanischen und elektromechanischen Steuerungssystemen, um auf kleine und wiederholte Temperaturänderungen präzise mechanische Reaktionen zu erhalten. Man prüft, ob man sie in der Medizin nutzen kann, und möglicherweise werden sie eines Tages auch dazu dienen, Wärme in mechanische Energie umzuwandeln.

Damit sich eine Legierung an Formen erinnern kann, muß ihr Kristallgefüge beim Abkühlen in eine als Martensit be- zeichnete Konfiguration übergehen und diese beim Erwärmen wieder verlassen können. Wir wollen das an einem Beispiel illustrieren:

Drähte aus einer gestalterinnernden Legierung werden bei Raumtemperatur zu einer lampenschirm-ähnlichen Antenne zusammengeschweißt und anschließend erhitzt, bis ihre Kristallstruktur in eine Hochtemperatur Konfiguration übergeht, die man als Betaoder Matrix-Phase bezeichnet. Danach wird die Antenne abgeschreckt, so daß sich die Metallatome in der Kristallstruktur eines Martensits neu ordnen. Jetzt kann man die Antenne nach Belieben verknäuelen. Erhitzt man das Knäuel anschließend wieder so weit, daß das Kristallgefüge aus der Martensit- in die Beta-Phase übergeht, so kehrt die Gestalt der Antenne zurück. In Bild 2 ist die Verformung der Antenne in Abhängigkeit von der Temperatur skizziert.

Der Gedächtnis-Effekt solcher Legierungen ist seit 1938 bekannt. Damals zeigten Alden B. Greninger und G. Mooradian, daß man das Kristallgefüge des Messings (einer Legierung aus Kupfer und Zink) durch Temperaturänderungen in die Martensit-Phase überführen und anschließend in den Ausgangszustand zurückverwandeln kann. Etwa zur gleichen Zeit untersuchte der russische Metallurge G. V. Kurdyumov, welche Beziehungen beim Messing zwischen der Hochtemperatur-Phase und der Martensit-Phase bestehen. Später studierten Thomas A. Read und seine Mitarbeiter den Gedächtnis-Effekt bei Gold-Cadmium-Legierungen und zeigten, welche Kräfte bei den daran beteiligten Phasenumwandlungen freigesetzt werden können.

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1962 fand das Phänomen weltweite Beachtung als William J. Buehler vom US Naval Ordnance Laboratory bekanntgab, er habe eine Legierung aus Nickel und Titan entdeckt, die sich an Formen erinnern kann. Buehlers Legierung erhielt den Namen Nitinol (für Nickel-Titan-Naval-Ordnance-Laboratory).

Die Kristallographie des Gedächtnis- Effekts

Man kann die martensitische Kristallstruktur erzeugen, indem man das Werkstück einer mechanischen Spannung aussetzt oder rasch unter eine kritische Temperatur abkühlt. Die zweite Methode wird am häufigsten angewandt. Die martensitische Struktur entsteht durch eine plötzliche Verschiebung der Atome oder durch Keimbildung und Wachstum. In beiden Fällen bildet sich die Martensit-Phase durch einen diffusionslosen Übergang, bei dem sich große Blöcke von Atomen so schnell bewegen, daß Diffusionsvorgänge keine Rolle spielen. Martensitische Umwandlungen gehören daher zur Klasse der diffusionslosen Übergänge.

Ob sich zwischen der Beta-Phase und der Martensit-Phase ein thermodynamisches Gleichgewicht bildet, hängt von der Zusammensetzung der Legierung, von ihrer Temperatur und von den inneren Spannungen des Kristallgitters ab. Keimbildung und Wachstum des Martensits werden durch Scherspannungen beeinflußt, die zwischen benachbarten Martensit-Gebieten entstehen, wenn man die Legierung abkühlt oder unter mechanische Spannung setzt. Der Ausgleich zwischen den inneren Verzerrun-; gen und äußeren Spannungen läßt die Martensit-Gebiete zu Platten wachsen, die sich von selbst in Bezug auf ihre Nachbarn so orientieren, dass sie in ihren lokalen Spannungsfeldern energetisch am günstigsten liegen. Unabhängig davon, ob das innere Spannungsfeld durch Temperaturveränderungen oder durch äußeren Druck verursacht wrude, kommen in einem Gegenstand aus gestalterinnernden Legierungen Martensit-Platten sehr unterschiedlicher Größe vor.

Die Kristallstrukturen der Beta-Phase verschiedener Legierungen unterscheiden sich im Detail, aber gewöhnlich ist dieses Phase ungeordnet und kubisch-raumzentriert, das heißt, die Atome arrangieren sich so, daß jeweils acht von ihnen die Ecken eines Würfels bilden und ein neuntes sich im Zentrum des Würfels befindet, aber die Atome der Legierungsbestandteile haben in dieser Anordnung keine festen Plätze.

Erniedrigt man die Temperatur, so wandelt sich diese Phase zunächst in eine geordnete kubisch-raumzentrierte Struktur und dann in eine Übergitter- Struktur um. In der geordneten Struktur nehmen die Atome der verschiedenen Legierungsbestandteile nur ganz bestimmte Plätze im Kristallgitter ein. Das Übergitter kann man sich als ein System ineinandergreifender Elementarzellen vorstellen, deren jede aus mehreren Dutzend Atomen besteht. Die Elementarzelle ist die kleinste Einheit eines Kristalls, die sich in allen drei Dimensionen vielfach wiederholt und somit die Kristallstruktur definiert. Die Übergitter-Strukturen sind so kompliziert, daß es schwerfällt, die Bewegung der Atome zu beschreiben, wenn eine Legierung aus der Beta-Phase in die Martensit-Phase übergeht. Oft spricht man von »Verschiebungen« oder von »Scherungen«.

In einer Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung, die sich an Formen erinnert, bilden sich aus der Beta-Phase nebeneinander vier Martensit-Varianten, deren Kristalle jeweils um sechzig Grad gegeneinander geneigt sind. Die von einer Variante ausgehende Zerrspannungen, gleichen die von den anderen Varianten verursachten Zerrspannungen aus, so daß das Wachstum vieler sich selbst orientierender Martensit-Platten energetisch günstiger ist als das Wachstum einer einzigen Platte. Übt man auf das Material Druck aus, so beginnen einige Platten unverzüglich zu wachsen und andere im Zuge der Kompensation zu schrumpfen. Ein Gegenstand aus diesem Material läßt sich daher verformen, ohne daß sich benachbarte Platten gegeneinander verschieben, wie es bei einer normalen plastischen Verformung üblich wäre.

Kühlt man eine Legierung mit Erinnerungsvermögen unter eine kritische Temperatur, so setzt die Martensit-Bildung ein. Auch oberhalb der kritischen Temperatur kann Martensit entstehen, wenn das Material einer äußeren Spannung ausgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen sind Legierungen mit Formengedächtnis bis zu zehnmal elastischer als gewöhnliche Legierungen. Man bezeichnet sie als superelastisch oder pseudoelastisch.

Unter Spannung verhalten sich solche Legierungen zunächst normal elastisch, das heißt, sie werden in einer Richtung um so länger, je größer die angewandte Kraft ist. Übersteigt die Spannung den Wert, bei dem sich Martensit-Platten bilden, so dehnt sich der Gegenstand wie bei einer plastischen Verformung aus. Wenn man ihn danach entlastet, gehen die Martensit-Platten wieder in die Beta-Phase über: Der Gegenstand zieht sich auf seine ursprünglichen Abmessungen zusammen und zeigt keine bleibende Verformung. Obwohl die Superelastizität primär nichts mit dem Gedächtniseffekt zu tun hat, kann sie das Erinnerungsvermögen erhöhen, das heißt die mit dem Gedächtnis verbundenen Kräfte verstärken.

Legierungen mit Erinnerungsvermögen können auch »lernen«, sich bei zwei verschiedenen Temperaturen an ihre Gestalt zu erinnern. Man muß sie dazu wiederholt unter die kritische Temperatur der Martensit-Umwandlung abkühlen und anschließend wieder bis zur Bildung der Beta-Phase aufwärmen. Beim Abkühlen muß das Material unter Spannung stehen. Dadurch bleibt die Zahl der Martensit-Varianten klein, die Orientierung der Martensit-Platten wird verhindert, und die innere Verzerrung der Legierung wächst. Nach dem Training ändert der Gegenstand seine Gestalt sowohl beim Übergang in die Beta-Phase als auch wenn die Temperatur unter den kritischen Wert der Martensit-Umwandlung sinkt.

Anwendungen

Trotz ihrer hohen Kosten werden Nitinol-Legierungen in der Raumfahrt für viele Zwecke eingesetzt. Eine ihrer ersten Anwendungen fanden sie in einem Torsionsrohr. Es war Bestandteil einer Verriegelung in einem britischen Satelliten, mit der an drei Instrumenten bewegliche Teile freigegeben wurden. Die Bewegung mußte schnell und zuverlässig sein, um jedes Ungleichgewicht zu vermeiden, das die Stabilität des sich drehenden Satelliten hätte beeinflussen können.

Mit Nitinol ließ sich auch das Problem lösen, hydraulische Leitungen im Düsenjäger »F-14« miteinander zu verbinden. Die Ingenieure hatten für das schwierige Problem, Leitungen nahe der Aluminiumhülle des Flugzeugs zusammenzufügen, eine Alternative zum Löten gesucht. Schließlich verwendete man Muffen aus Nitinol, um die Rohrenden miteinander zu verbinden. Sie wurden bei Raumtemperatur mit einem Innendurchmesser hergestellt, der um vier Prozent kleiner war als der Außendurchmesser der Rohre, die verbunden werden sollten. Vor dem Einbau kühlte man sie unter die kritische Temperatur der Martensit-Umwandlung und weitete sie so weit auf, daß ihr Durchmesser um vier Prozent über dem Außendurchmesser der Rohre lag. Bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur wurden die Muffen auf die Rohrenden geschoben. Beim anschließenden Erwärmen auf Raumtemperatur fand der Übergang von der Martensit-Phase in die Beta- Phase statt. Er ließ die Muffen schrumpfen und führte so zu einer festen Verbindung der Rohrenden. Man kann die Dichtigkeit der Verbindung verstärken, indem man ringförmige Rippen in die Innenflächen der Muffen eindreht. Auf Handelsschiffen werden zur Zeit ähnliche, aber größere Kupplungen für Hydraulik- und Preßluftleitungen erprobt.

Wichtig für die Anwendung im Flugzeugbau ist, daß die Rohrverbindung auch bei minus 120 Grad Celsius noch funktionsfähig ist, das heißt, die kritische Temperatur der Martensit-Umwandlung muß unterhalb dieser Temperatur liegen. In der Familie der Nitinol-Legierungen kann die Umwandlungstemperatur zwischen minus 273 und plus hundert Grad Celsius liegen, je nachdem, wie groß das Mengenverhältnis von Nickel zu Titan ist und welche kleinen Mengen anderer Elemente man dem Gemisch zufügt.

Ingenieure der Raychem Corporation entwickelten eine elektrische Steckverbindung, die einen hohen Kontaktdruck ausübt und trotzdem leicht gelöst und wieder geschlossen werden kann. Das Verbindungselement besteht aus einem Ring aus Nitinol, der sich um die Enden der Kontaktstifte, die verbunden werden sollen, legt. Die Steckverbindung löst sich, wenn man sie mit kaltem Fluorkohlenstoff-Gas besprüht. Wird sie erwärmt, so schließt sie sich. Die Kräfte, die eine Kupplung aus einer Legierung mit Erinnerungsvermögen aufbringen kann, sind zweihundertmal größer als die Kraft, die ein Bimetall-Element des gleichen Gewichtes beim Ausdehnen oder Zusammenziehen entwickelt. Außerdem »erinnern« sich die Legierungen bei einer festen Temperatur an ihre frühere Gestalt, während Bauteile, deren Gestaltänderung auf der thermischen Ausdehnung beruht, nur in einem größeren Temperaturbereich wirksam sind.

Nitinol in der Medizin

Muß man den Gelenkkopf eines Hüftgelenks ersetzen, so stellt sich das Problem, den Prothesenschaft so in der Markhöhle des Oberschenkelknochens zu befestigen, daß der Gelenkkopf optimal eingestellt ist und der Knochen nicht bricht. Man könnte daran denken, den Schaft mit »Schwingflügeln« aus Nitinol zu versehen, die sich beim Erwärmen auf Körpertemperatur ausdehnen und eine feste Verbindung schaffen. Langzeitversuche an Tieren haben gezeigt, daß sich Nitinol mit lebendem Gewebe verträgt. Ein anderes orthopädisches Proble besteht darin, die Teile eines gebrochenen Knochens so miteinander in engen Kontakt zu bringen, daß sie korrekt ausgerichtet sind und schnell wieder zusammenwachsen. Die übliche Methode der Fixierung erfordert Nägel, Schrauben und Platten und ist umständlich. Man könnte Nitinol-Platten verwenden, die in kaltem Zustand eingesetzt werden und deren Form sich beim Erwärmen auf Körpertemperatur so ändert, daß die Teile des Knochens in die richtige Position gelangen.

Legierungen mit Erinnerungsvermögen könnten auch helfen, Blutgerinnsel aus dem Kreislauf zu filtern, bevor sie Schäden anrichten. Die meisten Gerinnsel von gefährlicher Größe bilden sich in den Beinen und im unteren Rumpf und gelangen durch die Venen zum Herzen und zur Lunge, wo sie lebenswichtige Blutbahnen verstopfen. Gerinnungshemmende Stoffe sind zwar nützlich, aber ihre Anwendung ist auch riskant. Morris Simon vom Beth Israel Hospital in Boston versucht daher, Blutgerinnsel mit einem Filter aus Nitinol aufzufangen. Dazu formt er ein Stück Nitinol-Draht zu einem Sieb mit einer Maschenweite von etwa zwei Millimetern, kühlt dieses unter die kritische Temperatur der Martensit-Umwandlung (die weit unter der Körpertemperatur liegen muß) und biegt den Draht anschließend wieder gerade. In diesem Zustand wird der Draht mit Hilfe eines Katheters über eine Armvene in die große Hohlvene eingebracht, die zum Herzen führt. Wenn er sich auf Körpertemperatur erwärmt, nimmt er wieder die Form des Gitters an. Diese Experimente wurden an Hunden durchgeführt, und ihre Ergebnisse sehen erfolgversprechend aus.

Nützliche Geräte

In Millionen von Schreibern und Kontrollgeräten, die wartungsfrei und zuverlässig funktionieren müssen, ist der Antrieb der Schreibfeder eine Schwachstelle. In herkömmlichen Geräten bewegt ein Galvanometer – ein alterehrwürdiges elektromechanisches System, das auf elektrische Ströme reagiert — die Feder. Auf der Suche nach einem einfacheren und unempfindlicheren Mechanismus entwickelten Ingenieure der Foxboro Company einen Antrieb, der auf dem Erinnerungsvermögen eines Nitinol- Drahtes beruht. Der gespannte Draht verlängert oder verkürzt sich, je nach der Wärmemenge, die eine kleine Induktionsspule erzeugt. Die Stromstärke in der Spule ist der Spannung proportional, in die das Meßsignal umgewandelt wird, das registriert werden soll. Nitinol-Draht übt wesentlich größere Kräfte aus als ein Galvanometer-Antrieb, so daß man mit weniger Lagern und Hebeln auskommt. Mit über sechshunderttausend Schreibern, die bereits mit diesem Antrieb ausgerüstet sind, ist das die heute am weitesten verbreitete Anwendung von Legierungen mit Erinnerungsvermögen.

Bisher habe ich mich nur mit Nitinol- Legierungen und ihren Anwendungen befaßt. Vor kurzem wurde eine neue Familie von Legierungen mit Erinnerungsvermögen entwickelt, die zwischen 68 und 83 Prozent Kupfer, zwischen 10 und 28 Prozent Zink und zwischen 4 und 10 Prozent Aluminium enthalten. Diese aus drei Elementen zusammengesetzten (tenären) Legierungen sind wesentlich billiger als Nitinol und lassen sich leichter hersteilen und bearbeiten. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß bereits kleine Änderungen der Zusammensetzung die kritische Temperatur ihrer Martensit-Umwandlung stark verschieben. Die kritischen Temperaturen können jeden Wert zwischen minus 105 Grad Celsius und plus 299 Grad Celsius annehmen. (Leicht herstellbar sind jedoch nur Legierungen, deren kritische Temperatur zwischen minus hundert und plus hundert Grad Celsius liegen.) Die Legierungen vertragen Temperaturschwankungen bis zu achtzig Grad. Bei größeren Schwankungen neigt die Martensit-Phase dazu, instabil zu werden. Aus den Legierungen lassen sich einige Bauteile herstellen, die heute aus Nitinol gefertigt werden, beispielsweise Kupplungen, Federn und Schalter.

Bei der Erkundung neuer Möglichkeiten zur Verwendung gestalterinnernder Legierungen hat die Firma Delta einige Bauelemente entwickelt, in denen das Material sowohl als Temperaturfühler als auch in der Funktion eines Stellgliedes arbeitet. Zu diesen Elementen gehört ein thermostatisches Regelventil für Heizkörper. An einem Drehknopf stellt man die Temperatur ein, bei der sich das Ventil öffnen soll, und ändert damit die Spannung einer Feder, die auf eine zweite Feder aus einer Legierung mit Erinnerungsvermögen drückt. Die Federkraft dieser zweiten Feder wächst mit steigender Temperatur, weil dann immer größere Teil der Martensit-Phase in die Beta-Phase übergehen und diese Umwandlung für die Feder mit der Erinnerung an ihre ursprünliche, entspannte Form verbunden ist.

Eine ähnliche Feder kann die Vorrichtung steuern, die den Propeller im Kühlsystem eines Autos ein- und auskuppelt. Die herkömmlichen Vorrichtungen arbeiten mit einer Flüssigkeitskupplung, die von einer Bimetall-Feder gesteuert wird. Eine Kupplung mit einer Feder aus einer gestalterinnernden Legierung benötigt keine Flüssigkeitsabdichtung und gestattet es außerdem, die Geschwindigkeit des Propellers zu verändern. Automobil-Konstrukteure untersuchen zur Zeit, ob die Bauteile aus den neuartigen Legierungen auch die Funktionen von kleinen Elektromotoren wie Magnetventilen und von Regelelementen am Montor übernehmen können. Vielversprechend ist die Verwendung dieser Legierungen in Vergasern mit Dosierdüsen und mit variablen Einspritzsystemen, mit denen sich der Benzinverbrauch regeln läßt.

Bei der Auswahl eines Schalters, der mit einer gestalterinnernden Legierung arbeitet, muß man bedenken wie groß die Betriebstemperatur ist, welche Kraft und welche Auslenkung erfolrderlich sind und ob eine Längenänderung des Metallstücks oder eine Drehbewegung gewünscht wird. Die Firma Delta hat Tabellen und Diagramme ausgearbeitet, aus denen eine Konstrukteur für jede Legierung die Vorbelastung oder Kompensationskraft ermitteln kann, die erforderlich ist, damit das Schaltelement bei einer bestimmten Temperatur aunspricht und die vorgegebene Kraft ausübt. Heute gibt es etwa hundert patentierte Geräte, die mit den neuartigen Legierungen arbeiten, und ihre Zahl nimmt ständig zu.

Energiegewinnung

Auch bei der Gewinnung von Energie aus Abwäreme oder aus Wasser niedriger Temperatur kann man Bauteile einsetzen, die aus Legierungen mit Erinnerungsvermögen bestehen. Schon 1966, also vier Jahre nach der Entdeckung des Gedächtnis-Effektes im Nitinol, erhielen William J. Buehler und David M. Goldstein ein Patent für eine Maschine, die Wärme direkt in mechanische Energie umwandelt. Inzwischen scheint die Reihe ähnlicher Konstruktionen nicht mehr enden zu wollen. Die ersten Maschine, die Energie in verwertbaren Mengen lieferte, entwarf Ridgway Banks.

Sie arbeitete mit Drahtschlingen aus Ninitol, die sich an Speichen auf- und abbewegten, und über ein Winkelhebel mit einem Rad verbunden waren. Wenn sich das Rad drehte, tauchten die Schlingen zunächst in kaltes und dann in heißes Wasser, wodurch sie sich öffneten und wieder schlossen. Die Maschine ähnelte in Gewisser Weise einem Vielkolben-Sternmotor.

In einem anderen Gerät öffneten und schlossen sich Streifen einer ternären Legierung mit Erinnerungsvermögen wie ein Akkordeon. Dadurch entstand eine Bewegung in Längsrichtung, die über eine Kurbel in eine Drehbewegung umgesetzt wurde.

Eine der neuesten Maschinen von Banks beruht auf dem Schwimbalken-Prinzip, das der englische Ingenieur Thomas Newcomern im achtzehnten Jahrhundert erfunden hat. Der »Kolben« besteht aus 88 Nitinol-Drahtstücken, die je etwa vierzig Zentimeter lang sind. Sie tauchen abwechselnd in heißes und kaltes Wasser und ziehen sich daher periodisch zusammen und dehnen sich wieder aus. Diese Schwankungen werden durch den Schwingbalken und über Verbindungsstücke auf ein Antriebsrad übertragen. Ein zweiter Hebelarm regelt die Verweildauer in den beiden Wasserbädern, ähnlich wie ein Fliehkraftregler das Ventil einer Dampfmaschine steuert.

Luc Delaey an der Universität Leuven hat berechnet, daß der Wirkungsgrad solcher Maschinen höchstens vier bis fünf Prozent beträgt. Angesichts dessen fragt man sich, ob es überhaupt genügend große Wärmereservoirs gibt, aus denen man auf diese Weise vernünftige Mengen an Energie gewinnen kann. Ein solches Reservoir ist natürlich das Meer in tropischen Breiten, wo die Temperaturdifferenz zwischen dem von der Sonne erwärmten Oberflächenwasser und dem kalten Tiefenwasser mindestens fünfundzwanzig Grad beträgt. Auf eine weitere Energiequelle hat kürzlich J. S. Cory aufmerksam gemacht: Hinter jedem hohen Staudamm bildet sich ein erhebliches Temperaturgefälle zwischen der Oberfläche und dem Grund des Stausees. Die Temperaturdifferenz reicht von wenigen Grad in den Wintermonaten bis zu achtzehn Grad in den Sommermonaten. Erstaunlicherweise ist die Wärmeenergie in der großen Wassermenge eines Stausees weitaus größer als die durch die Höhendifferenz und die Schwerkraft gegebene potentielle Energie.

Legierungen mit Erinnerungsvermögen sind gewissermaßen Lösungen, die auf Probleme warten. In einigen Fällen haben sich beide schon getroffen. Die Zahl solcher Fälle wird rasch wachsen.

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Januar 1980

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  • Infos
Aus: Scientific American, 1979