Amphibienroboter: AmphiSAW schwimmt und krabbelt schnell und effizient
Mit einem speziellen Antrieb bewegt sich der Roboter AmphiSAW vorwärts. Das klappt auf dem Land und im Wasser gleichermaßen energieeffizient.
AmphiSAW schwimmt zusammen mit Fischen, kann sich aber mit seinem Antrieb auch an Land effizient und schnell fortbewegen.
(Bild: Dr. David Zarrouk / BGU)
Zwei Wissenschaftler der israelischen Ben Gurion University of the Negev haben mit AmphiSAW einen Amphibienroboter entwickelt, der sich an Land und im Wasser schnell und energieeffizient fortbewegen kann. An Land krabbelt er ähnlich wie ein Tausendfüßler, im Wasser nutzt er seine wellenförmig bewegten "Beine" und seine zwei asymmetrische Schaufeln zum Schwimmen.
Besonders kompliziert ist der Roboter nicht aufgebaut, wie aus dem in Bioinspiration & Biomimetics veröffentlichten wissenschaftlichen Paper "A novel wave-like crawling robot has excellent swimming capabilities" hervorgeht. Ein einzelner Elektromotor treibt eine Beinkette über eine helixartig in sich verdrehte Achse wellenförmig an. Die Glieder sind über Drehgelenke miteinander verbunden. Bei dieser Fortbewegung haben sich die Wissenschaftler von einem Fadenwurm inspirieren lassen, der mit ähnlichen Bewegungen über komplexe rutschige flexible Oberflächen kriechen kann.
Die Wissenschaftler entwarfen zwei Prototypen: einen 30 cm langen Prototyp und eine 6 cm lange Mini-Version. Der größere Roboter ist zusätzlich mit passiven Rädern ausgestattet, um sein Eigengewicht von 1245 g mit Motor und Batterie besser tragen zu können und den Gleitwiderstand zu verringern. Zwei kleinere Motoren an der Front treiben zusätzlich zwei rotierende asymmetrische Schaufeln an, die zur Richtungssteuerung dienen. Der Roboter erreicht auf starren Oberflächen eine Geschwindigkeit von 77 cm/s. Die zusätzlich montierten Räder ließen Geschwindigkeiten von bis zu 2 m/s zu. Vergleichbare Amphibienroboter ähnlicher Größe kommen lediglich auf Geschwindigkeiten von etwa 42 cm/s, schreiben die Forscher.
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Den kleineren Roboter, der rund 6 g wiegt, ließen die Forscher durch flexible Silikonschläuche und ex-vivo in Schweineeingeweiden kriechen. Dabei bewegte sich der Roboter mit bis zu 2 cm/s fort.
Schnelle effiziente Fortbewegung auch im Wasser
Die Wissenschaftler testeten denselben Antriebsmechanismus zur Fortbewegung im Wasser aus. Den meisten Schub liefert der wellenförmige Heckantrieb, die beiden vorderen Schaufeln weniger. Dabei untersuchten sie, welche Kraftkombination und Wellenfrequenz den größten Vorschub leistete. Zusätzlich berücksichtigten sie, wie sich unterschiedliche Eintauchtiefen auf die Geschwindigkeit und die Effizienz der Fortbewegung auswirkten.
Der Roboter wurde auf Grundlage der Ergebnisse mit Schwimmern am Heck ausgestattet, um eine konstante Eintauchtiefe zwischen 40 Prozent und 50 Prozent zu erzielen. Beim Schwimmen erreichte der Roboter mit dem Helix-Antrieb eine Geschwindigkeit von 38 cm/s, mit den zusätzlichen Schaufeln vorn bis zu 52 cm/s. Die kleine Version kam auf Geschwindigkeiten von 1,3 cm/s.
Die Forschenden überprüften AmphiSAW im freien Feld und einem Teich, um eine realistischere Anwendung auszuprobieren. Auf unebenem Boden sowie auf Gras, Schotter und glatten Fliesen bewegte sich der Roboter mühelos vorwärts und konnte mit den beiden Schaufelrädern gelenkt werden. Ähnliches gelang im Teich. Allerdings fielen die Störungen im Wasser durch den Antrieb bei höheren Geschwindigkeiten doch deutlich aus. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten unter 20 cm/s dagegen gering. Das lockte ungeplant die lokale Fischpopulation an, die dem Roboter folgte. AmphiSAW legte insgesamt mehrere hundert Meter ohne Ausfall zurück.
"Der einzelne Motor und das bio-inspirierte Design tragen erheblich zur Effizienz des Roboters bei und die relative Einfachheit seines Designs bedeutet, dass er auf jede Größe skalierbar ist", erklärt Dr. David Zarrouk, einer der Wissenschaftler des Projekts. Die Forscher sehen AmphiSAW als einen Schritt in Richtung einfach herzustellender Roboter, die komplexe Manöver ausführen können und dabei wenig Energie benötigen.
(olb)