Forscher entwickeln energieeffizienten künstlichen Muskel für insektoide Roboter
Ein künstlicher Polymermuskel soll Mini-Roboter in der Größe kleiner Insekten energieeffizient vorankommen und in die kleinste Ritze gelangen lassen.
Ein künstlicher Muskel treibt einen Roboter in der Größe eines Insektes voran.
(Bild: The Shankar Research Group)
Forscher der Universität Pittsburgh haben einen von Insekten inspirierten Mini-Roboter entwickelt, der sich mit einem künstlichen Polymermuskel springend fortbewegen kann. Der neu entwickelte Muskel kann seine Energie impulsartig freisetzen. Die Forscher ahmen damit die Fortbewegung von kleinen Insekten nach, die sich hüpfend energieeffizienter fortbewegen als kriechend.
Wie M. Ravi Shankar, Professor für Wirtschaftsingenieurwesen an der Universität Pittsburgh, ausführt, wollte das Team einen künstlichen Muskel entwickeln, der impulsive Bewegungen zur Fortbewegung von Mini-Robotern umsetzen kann. Für kleine Insekten sei es energieeffizienter, über eine Oberfläche zu springen, als zu kriechen. Um dies auf einen Roboter übertragen zu können, benötige man einen künstlichen Muskel, der seine Energie impulsartig freigeben kann. "Normalerweise sind die künstlichen Muskeln, mit denen wir arbeiten, ziemlich langsam. Wir stellten uns die Frage: Wie können wir diesen künstlichen Muskel nutzen, um eine springende Bewegung zu erzeugen, anstatt einer langsamen Bewegung", erklärt Shankar das Forschungsziel.
Energieeffizienter künstlicher Muskel
Das Forscherteam rund um den Doktoranden Jungfen Gao entwickelte dazu einen künstlichen Muskel aus in Querrichtung gekrümmten Verbundschalen aus Flüssigkristall-Elastomer und Polyethylenterephthalat (PET) und eingebetteten Elektronen. Beim Anlegen einer Spannung von weniger als ein Volt bei einer Leistung von etwa 200 mW bleibe zunächst die gekrümmte Struktur des Muskels gleichbleibend erhalten und baue dabei Dehnungsenergie auf, die in einem Millisekunden-Impuls freigesetzt werde, schreiben die Forscher in ihrem in Advanced Materials Technologies veröffentlichten Paper. Sobald der Strom abgeschaltet werde, kehre der Aktuator spontan in seinen Ausgangszustand zurück.
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Eingesetzt hat das Forscherteam den künstlichen Polymermuskel in einen etwa 40 mm kleinen Roboter, der einem Insekt nachempfunden ist und eine Fortbewegung ermöglicht. Nach Angaben der Forscher seien mit dem künstlichen Muskel vielseitige Bewegungen denkbar. Zudem sei die Konstruktion sehr leicht. Demnach könnten Roboter mit dieser Technik sich auf losen Untergründen wie Sand bewegen und sogar auf einer Wasseroberfläche hüpfend fortbewegen.
"Diese Roboter könnten eingesetzt werden, um in enge Bereiche zu gelangen und dort Bildgebungs- oder Umweltuntersuchungen durchzuführen, Wasserproben zu entnehmen oder strukturelle Untersuchungen vorzunehmen", sagt Gao, der als Doktorand am Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen an der Swanson School of Engineering das Projekt leitet. "Überall dort, wo man Zugang zu engen Räumen haben möchte – wo ein Käfer hinkommt, aber ein Mensch nicht – könnten diese Maschinen nützlich sein."
(olb)