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25.09.2018

Faden-Kunst aus Roboterhand

Kunst und Industrie 4.0

Als „String Art“ bezeichnet man Bilder aus kunstvoll gespannten Fäden. Was bisher Erfahrung und eine ruhige Hand benötigte, gelingt an der TU Wien nun mit einem Roboter – ein Beispiel, welch komplexe Aufgaben mittlerweile digital lösbar sind.

Die Grundidee ist simpel: Auf einem Brett befinden sich Nägel und zwischen ihnen soll ein langer Faden so hin und her gespannt werden, dass er ein bestimmtes Bild ergibt.

Das Beispiel zeigt, wie das Portrait einer bekannten Persönlichkeit entsteht:

  • Der eingesetzte Industrieroboter fräst sonst 3D-Formen. © TU Wien

    Der eingesetzte Industrieroboter fräst sonst 3D-Formen. © TU Wien

  • Er fährt zwischen 265 Haken hin und her.. © TU Wien

    Er fährt zwischen 265 Haken hin und her. © TU Wien

  • .. die Herausforderung besteht darin, den optimalen Verfahrweg zu finden. © TU Wien

    Die Herausforderung besteht darin, den optimalen Verfahrweg zu finden. © TU Wien

  • Je nach Motiv ist der Roboter zwischen zwei und fünf Stunden beschäftigt. © TU Wien

    Je nach Motiv ist der Roboter zwischen zwei und fünf Stunden beschäftigt. © TU Wien

  • .. Das fertige Fadenbild abstrakt, aber Einsteins Zunge unverkennbar. © TU Wie

    Das fertige Fadenbild ist abstrakt, aber Einsteins Zunge unverkennbar. © TU Wien

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Anzeige - das nächste Bild wird in Sekunden angezeigt - überspringen

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An der TU Wien hat man diese Kunstform nun automatisiert: Der Computer berechnet den optimalen Fadenweg, der das gewünschte Bild möglichst exakt wiedergibt. Ein Industrie-Roboter übernimmt dann die Arbeit des Fadenspannens.

Eine exakte Lösung ist nicht immer möglich, aber auch nicht nötig

Das Schwierige an der Geschichte ist, dass man statt einzelner Bildpunkte nur durchgängige Linien setzen kann. Demnach lässt sich das Bild nicht exakt reproduzieren, sondern man arbeitet mit Näherungslösungen.
Die Anzahl an Möglichkeiten einen Faden zwischen vielen Nägeln zu spannen ist astronomisch hoch. Alle denkbaren Varianten durchzugehen ist schlichtweg nicht möglich. „Es handelt sich um ein sogenanntes NP-schweres Problem“, sagt Przemyslaw Musialski vom Institut für Diskrete Mathematik und Geometrie der TU Wien. „Zu dieser Klasse von Aufgaben gehören Rechenprobleme, die mit Computern in überschaubarer Zeit nicht exakt gelöst werden können.“

Herausforderung: aus unendlich vielen Möglichkeiten die beste bestimmen

Für die Erstellung des Bildes verwenden die Wiener einen Kreis aus 256 Haken. „Unsere Rechnungen haben gezeigt, dass eine größere Anzahl von Haken das Endergebnis nur noch marginal verbessert“, sagt Przemyslaw Musialski. Der Faden kann jeweils von der rechten oder linken Seite jedes Hakens zur rechten oder linken Seite jedes anderen Hakens gespannt werden. Schon bei ungefähr 30 Fadenlinien ergeben sich somit mehr mögliche Varianten als das beobachtbare Universum Atome hat – und um ein erkennbares Bild wiederzugeben, braucht man noch viel mehr Linien. Es ist daher eine große mathematische Herausforderung, aus der unüberblickbaren Vielzahl an möglichen Wegen einen herauszufinden, der das gewünschte Bild möglichst gut reproduziert.

Lösungen sind auf die digitale Fabrikation übertragbar

Es ging dem Forschungsteam jedoch nicht nur um die Lösung des mathematischen Problems, sondern um die Automatisierung der gesamten Produktion der Fadenkunst. Dafür setzt man einen hochpräzisen Roboter ein, der normalerweise 3D-Formen in der Architektur-Fakultät fräst. Der Roboterarm spannt nun einen einzigen langen Faden zwischen den 256 Haken, sodass am Ende ein kreisrundes Fadenbild mit 63 cm Durchmesser entsteht. Auch für den Industrieroboter ist die Aufgabe nicht im Handumdrehen erledigt: Je nach Bildmotiv dauert die Produktion zwei bis fünf Stunden und benötigt zwischen zwei bis sechs Kilometer Faden.

Um die Kunst geht es dabei laut Musialski weniger, eher darum, wie man mit digitaler Fabrikation schwerwiegende Probleme am besten lösen kann. „Im String-Art-Projekt arbeiten wir mit Methoden, die in Zukunft auch in der digitalen Fabrikation eine wichtige Rolle spielen werden.“, erläutert Musialski.

Weiterführende Information
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  • Erschienen am 03.07.2017

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