Winzige Wasserläufer ebnen Weg für energieeffiziente Mikroroboter
Wasserläufer-Fächer inspirieren Miniroboter. Die Technik soll blitzschnelle Manöver auf dem Wasser ermöglichen.
"Rhagobot" – ein Roboter in Form eines Wasserläufers
Ein internationales Forschungsteam hat entschlüsselt, wie die Wasserläufer-Art Rhagovelia mit winzigen, fächerartigen Strukturen an ihren Beinen selbst in reißenden Bächen blitzschnell manövriert – und dieses Prinzip erfolgreich auf einen Mikroroboter übertragen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Die nur reiskorngroßen Insekten nutzen keine Muskelkraft, sondern allein Oberflächenspannung und elastische Kräfte, um ihre bandförmigen Fächer in Sekundenbruchteilen zu öffnen und wieder einzuklappen. Diese mechanische Passivbewegung erfolgt zehnmal schneller als ein Lidschlag. So gelingt es den Insekten, mit bis zu 120 Körperlängen pro Sekunde über die Wasseroberfläche zu gleiten und Wendungen in nur 50 Millisekunden auszuführen. Dabei erzeugen sie Strömungsmuster, die an Wirbelspuren von Flügeln in der Luft erinnern, wie in der Arbeit beschrieben wird.
Vom Insekt zum Roboter
Um dieses Naturprinzip technisch nutzbar zu machen, entwickelten die Forscher einen selbst entfaltenden, nur ein Milligramm leichten Elastokapillar-Fächer und integrierten ihn in einen insektengroßen Roboter – den "Rhagobot". Der Miniroboter kann nun selbstständig beschleunigen, bremsen und seitlich manövrieren. Aufwändige Energiezufuhr oder komplizierte Steuerung sind dabei nicht nötig. "Unsere Roboter-Fächer falten sich selbst – nur durch Wasserkräfte und Geometrie", sagt Je-Sung Koh, Professor an der Ajou University. "Das ist eine Form mechanischer Intelligenz, die die Evolution über Millionen Jahre perfektioniert hat."
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Die Forschung wurde von Teams der University of California, Berkeley, des Georgia Institute of Technology und der Ajou University in Südkorea über mehr als fünf Jahre hinweg gemeinsam betrieben. Die entscheidende Entdeckung gelang, als das Team mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops die Mikrostruktur der Fächer untersuchte. Bei der Analyse zeigte sich, dass die Fächer der Insekten wie flache Bänder aufgebaut sind. So lassen sie sich schnell zusammenklappen und bleiben trotzdem steif genug, um Vortrieb zu erzeugen – eine Eigenschaft, die das Robotik-Design erst ermöglichte. Als mögliche Anwendungsszenarien für derartige Roboter sstellen sich die Forscher semi-aquatischer Mikroroboter vor, die in turbulenten Strömungen, Überschwemmungsgebieten oder für Umweltmonitoring eingesetzt werden könnten.
(mack)
