Roboterinsekten fliegen immer realistischer
Neue Materialkombinationen erlauben die Herstellung von viel leichteren Flügeln. Damit lassen sich nach Zwei- auch Vierflügler bauen, die bedeutend agiler sind.
(Bild: University of California at Los Angeles / Autonomous Microrobotic Systems Laboratory)
- TR Online
Viele Insekten sind geschickte, wendige Flieger. Insbesondere Vierflügler können und ihre Flugrichtung genauere Anpassung der Nick-, Roll- und Gierbewegungen besser steuern. Seit einigen Jahren versuchen Aerodynamiker, Ingenieure und Robotik-Experten, den Insektenflug mit winzigen Flugrobotern zu kopieren. Die Haupterkenntnis lautet bisher, dass das Vorhaben enorm schwierig und komplex ist.
Eine der kleinsten Flugmaschinen ist die 2013 von Forschern der Harvard University geschaffene RoboBee. Sie flog mit zwei schlagenden Flügeln, die jeweils von einem winzigen, nur 25 Milligramm leichten Aktuator angetrieben wurden. Allerdings war die kleine Flugmaschine nicht in der Lage, ausreichend starke Kräfte für das Gieren zu erzeugen. Deshalb wackelte RoboBee oft unkontrolliert. Für ein präziseres Flugverhalten mit vier Flügeln waren die Antriebe allerdings bislang zu schwer.
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Insektenähnliche Flugmaschine
Jetzt haben Xiufeng Yang und Kollegen von der University of Southern California in Los Angeles Antriebe vorgestellt, die nur noch halb so schwer wie die Vorgänger sind. Damit konnten sie einen Mini-Roboflieger mit vier Flügeln ausstatten, deren Spannweiten jeweils gerade mal 3,3 Zentimetern betrugen. Ihre insektenähnliche Flugmaschine namens Bee+ kann landen, einem Pfad folgen und Hindernissen ausweichen.
Bisherige Aktuatordesigns wie die von RoboBee waren bimorph, bei denen zwei piezoelektrische Materialschichten eine passive Schicht umschlossen. Das abwechselnde Zusammenziehen der Außenschichten verformte die Flügel und brachte sie zum Schlagen. Die Gewichtsreduktion von Yangs Flügeln basiert nun auf einem sogenannten unimorphen Aktuatordesign. Hier ist nur noch eine piezoelektrische Schicht auf dem passiven Streifen befestigt. Das wiederholte Zusammenziehen der piezoelektrischen Schicht bewirkt, dass sich der Ausleger verbiegt. Die Bewegung der Auslegerspitze treibt wiederum das Flügelschlagen an.
Damit wiegen die vier unimorphen Aktuatoren insgesamt nur 56 Milligramm, also nur wenige Gramm mehr als zwei bimorphe. Darüber hinaus „reduziert das neue Design die Komplexität des Herstellungsprozesses und die statistische Häufigkeit von Montagefehlern im Vergleich zu den Zweiflügelrobotern erheblich“, sagen Yang und Kollegen. Und da das Gesamtgewicht des Fluggeräts nur 95 Milligramm beträgt, ist die Flächenbelastung deutlich geringer als bei RoboBee.
Wie ist das Luftverhalten?
Das reduziert die auf die Aktuatoren wirkenden Kräfte und erhöht ihre Lebensdauer. Noch kann auch Bee+ nicht auf ein Stromkabel verzichten. Zwar wurden bereits Roboterinsekten-Prototypen vorgestellt, die durch Laserstrahlen angetrieben werden können. Eine mitfliegende Stromversorgung ist jedoch immer noch eine große Herausforderung.
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Die Autoren veröffentlichten ein Video, in dem sich das Flugverhalten von Bee+ beobachten lässt. Ihre Arbeit zeigt, wie entscheidend der Fortschritt bei insektenähnlichen Robotern vom technischen Fortschritt abhängt. Bee+ mag von Insekten inspiriert sein, aber mit 95 Milligramm ist er immer noch ein Schwergewicht im Vergleich zu seinem Naturvorbild. Eine Stubenfliege zum Beispiel wiegt nur etwa 2,8 Milligramm.
Ingenieure müssen also die Größe und das Gewicht ihrer Maschinen um mindestens zwei weitere Größenordnungen reduzieren, bevor sie sich mit dem Problem der Energiespeicherung befassen können, das noch schwieriger zu lösen sein wird. Deshalb wird es noch einige Zeit dauern, bis Roboter mit wirklich insektenähnlichen Fähigkeiten möglich werden.
Korrektur, 5.6.2018: In einer vorherigen Fassung des Artikels wurden falsche Gewichtsangaben des Roboters genannt. Diese wurden korrigiert. (bsc)
Hinweis: Der Vergleich des Bee+ mit seinem Naturvorbild wurde von einer Hummel zur Stubenfliege verändert. (jle)
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