Forscher entwickeln Schlagflügelantrieb für insektenartige Roboter
Roboter, die sich flatternd fortbewegen, benötigen einen Antrieb, der leistungsfähig und energieeffizient arbeitet. Ein solches System soll LAZA sein.
Am Nylonfaden flattert ein Prototyp bereits durch das Labor.
(Bild: Tim Helps / University of Bristol)
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Bristol hat einen Schlagflügelantrieb für Insektenroboter entwickelt, das keine Motoren und komplexe Mechanik benötigt. Stattdessen verwenden die Forscher eine elektromechanische Methode.
Das Forscherteam rund um Jonathan Rossiter, Professor für Robotik an der University of Bristol, hat mit dem Liquid-amplified Zipping Actuator (LAZA) eine Art künstliches Muskelsystem entwickelt, das Flügelbewegungen, wie etwa Bienen sie vollführen, nachahmen kann. Tim Helps, der als Ingenieur LAZA entworfen hat, beschreibt es als künstlichen Muskel, der "bei gleichem Gewicht mehr Kraft hat, als das entsprechende Muskelstück eines Insekts oder eines Säugetiers".
Das im Fachmagazin Science Robotics publizierte LAZA-System basiert auf Elektrostatik. Es nutzt die Anziehungskraft entgegengesetzter Ladungen aus, um so eine Bewegung zweier Kunststoffflügel zu erzeugen. Die Flügel sind zwischen zwei Elektrodenplatten eingebettet, die mit einem Isolator voneinander getrennt am Gelenk zusammenkommen. Durch Auf- und Entladen der Elektroden flattern die Flügel hin und her.
LAZA würde besser funktionieren als frühere elektrostatische Aktuatoren, sagt Rossiter. Dazu haben die Forscher Öl dort aufgebracht, wo die Kraft am höchsten ist. "Dieses bisschen Öl erhöht die Kräfte und die Dichte des elektrischen Feldes", weil es ein guter Isolator ist. Dadurch sei es möglich, etwa eine Million Schlagzyklen zu erreichen, ohne dass das System an Leistung einbüßt, erklärt Rossiter weiter.
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Ausprobiert haben die Forscher den Antrieb an einem Prototyp, der momentan noch herzlich wenig mit einem Roboter gemein hat und über keinerlei intelligenten Steuerungsmechanismus verfügt. Vielmehr ist der Schlagflügelantrieb in einem einfachen Rahmen eingebaut, der an im Labor gespannten Führungsfäden aus Nylon entlanggleiten kann. "Was wir haben, sind Flügel, die durch das Labor fliegen", fasst Rossiter die erste Ausbaustufe nüchtern zusammen. Das Design der Flügel sei einem Glühwürmchen nachempfunden: Die Flügel mit einer Spannweite von 150 Millimeter neigen sich beim Auf- und Abschwingen.
Flattern mit 1,5 km/h
Dabei zeigt sich das System als überaus leistungsfähig. Der Prototyp entwickelt bei einer angelegten elektrischen Leistung von 243 Milliwatt einen Vorwärtsschub von 5,73 Millinewton erreichen. Damit huscht der insektenartige Prototyp mit einer Geschwindigkeit von 0,71 Meter pro Sekunde, umgerechnet etwa 1,5 Kilometer pro Stunde, durch den Raum.
Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler das LAZA-System mit einem ausgefeilteren Körper ausstatten. Eine Antriebssteuerung gibt es noch nicht. Da die Geschwindigkeit, mit der die Flügel schlagen und die Schlagweite reguliert werden können, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der zukünftige Insektenroboter besser im Raum ansteuerbar ist als einer mit herkömmlichem Motorsystem. Letztere leiden zudem darunter, dass ihr Gewicht und die energetischen Verluste systembedingt hoch sind und damit die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt ist. Dies sei nach Ansicht der Forscher bei LAZA nicht so.
Eingesetzt werden könnte der Schlagflügelantrieb später in autonomen Insektenrobotern, die etwa mit Umweltmesssystemen ausgestattet ihre Umgebung überwachen oder in eingestürzten Gebäuden eingesetzt werden, um dort nach Menschen zu suchen.
(olb)