Energieeffiziente Fortbewegung: Roboterraupe kriecht durch enge Spalte
Eine Roboterraupe der North Carolina State University bewegt sich durch Wärmesteuerung vor und zurück und quetscht sich durch enge Lücken.
Die Roboterraupe quetscht sich unter einem Karton hindurch.
(Bild: North Carolina State University)
Ein Wissenschaftsteam der North Carolina State University hat eine weiche Roboterraupe entwickelt, die sich vorwärts und rückwärts durch enge Lücken quetschen kann. Die raupenähnliche Bewegung wird durch ein Geflecht aus Silbernanodrähten erzielt, das sich unter Wärme verbiegt.
"Die Bewegung einer Raupe wird durch die lokale Krümmung ihres Körpers gesteuert – ihr Körper krümmt sich anders, wenn sie sich nach vorne zieht, als wenn sie sich nach hinten drückt", sagt Yong Zhu, Mitautor der Studie "Caterpillar-Inspired Soft Crawling Robot with Distributed Programmable Thermal Actuation", die in Science Advances veröffentlicht ist. Inspirieren lassen, haben sich die Wissenschaftler bei ihrem Roboter von der Biomechanik einer Raupe. Dabei sei die Entwicklung von Softrobotern, die sich in beide Richtungen bewegen können, "eine große Herausforderung". Dies gelinge aber durch die eingebetteten Nanodraht-Heizungen. Sie lassen es zu, eine lokale Krümmung zu imitieren und die Bewegung des Raupenroboters zu kontrollieren.
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Präzise Ansteuerung des Raupenmuskels
Der Roboter besteht im Wesentlichen aus zwei Polymerschichten, die unterschiedlich auf Wärme reagieren. Die untere Schicht zieht sich bei Hitze zusammen, die obere Schicht dehnt sich dagegen aus. In die Polymerschichten ist ein Gewebe aus feinen Silber-Nanodrähten eingebettet. Das Gewebe verfügt über mehrere Anschlusspunkte für elektrischen Strom. Darüber lassen sich einzelne Abschnitte gezielt unterschiedlich stark erhitzen – je nachdem, wie viel Strom angelegt wird.
Der Roboter ist dadurch in der Lage, eine Bewegung in beliebige Richtungen zu vollführen. Er kann sich nach vorn ziehen oder sich nach hinten schieben. In Abhängigkeit vom angelegten Strom bewegt sich die Roboterraupe schneller oder langsamer. Hierzu musste jedoch erst der richtige Zyklus zwischen Anspannung und Entspannung des Raupenmuskels gefunden werden, erläutert Shuang Wu, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der North Carolina State University. Denn der Körper muss genug Zeit haben, um sich zu entspannen, bevor er sich wieder zusammenzieht. Ist das nicht in ausreichendem Maße der Fall, beeinträchtige das seine Fortbewegung.
Die Forscher ließen den Roboter auch unter einem schmalen Spalt durchkriechen, um zu zeigen, dass sich der Raupenroboter präzise in der Höhe, der Aufwärtsneigung sowie vorwärts und rückwärts steuern lässt.
Der Bewegungsansatz sei sehr energieeffizient, sagt Yong Zhu, einer der Mitautoren des Papers. Das Wissenschaftsteam strebt hier weitere Fortschritte an und will die Technik weiter erproben. Dazu sollen Sensoren eingebaut werden, um die Fortbewegungsart für den Einsatz etwa in Such- und Rettungsrobotern flottzumachen.
(olb)