Forschung Roboterinsekt schwebt fast 17 Minuten bei gleicher Präzision

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Forscher arbeiten schon lange an verschiedensten Robotern, die sich an Insekten orientieren. Forschende des MIT haben nun ein bestehendes Roboterinsekt derart optimiert, dass es weniger wiegt als eine Büroklammer, dabei aber deutlich schneller und länger fliegen kann.

Mit einer effizienteren Methode zur künstlichen Bestäubung könnten Landwirte in Zukunft Obst und Gemüse in mehrstöckigen Lagerhäusern anbauen und so die Erträge steigern und gleichzeitig einige der schädlichen Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Umwelt abmildern.

Um diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen, entwickeln MIT-Forscher Roboterinsekten, die eines Tages aus mechanischen Bienenstöcken ausschwärmen könnten, um schnell eine präzise Bestäubung durchzuführen. Doch selbst die besten Roboter in Käfergröße können es in puncto Ausdauer, Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit nicht mit natürlichen Bestäubern wie Bienen aufnehmen.

Fliegende Roboter sind wendiger, schneller und präziser

Jetzt haben Forschende am MIT, inspiriert von der Anatomie dieser natürlichen Bestäuber, ihr bisheriges Design überarbeitet, um winzige, fliegende Roboter zu entwickeln, die weitaus wendiger sind als frühere Versionen: Die neuen Roboter können etwa 1.000 Sekunden lang schweben, das ist mehr als 100 Mal länger als bisher gezeigt, heißt es. Das Roboterinsekt, das weniger wiegt als eine Büroklammer, kann deutlich schneller fliegen als ähnliche Roboter und dabei akrobatische Manöver wie doppelte Luftsprünge ausführen.

Der überarbeitete Roboter wurde entwickelt, um die Flugpräzision und Beweglichkeit zu verbessern und gleichzeitig die mechanische Belastung der künstlichen Flügel zu minimieren, was schnellere Manöver, höhere Ausdauer und eine längere Lebensdauer ermöglicht. Das neue Design bietet außerdem genug Platz, um winzige Batterien oder Sensoren zu tragen, die es dem Roboter ermöglichen, außerhalb des Labors selbstständig zu fliegen.

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„Die Flugdauer, die wir in dieser Arbeit demonstriert haben, ist wahrscheinlich länger als die gesamte Flugdauer, die unser Fachgebiet bisher mit diesen Roboterinsekten sammeln konnte. Mit der verbesserten Lebensdauer und Präzision dieses Roboters kommen wir einigen sehr spannenden Anwendungen näher, wie zum Beispiel der assistierten Bestäubung“, sagt Kevin Chen, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS), Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory innerhalb des Research Laboratory of Electronics (RLE) und Hauptautor eines Open-Access-Papiers über das neue Design.

Chen arbeitete zusammen mit den Co-Autoren Suhan Kim und Yi-Hsuan Hsiao, die im Fachbereich EECS studieren, sowie mit dem EECS-Studenten Zhijian Ren und dem Sommergaststudenten Jiashu Huang an der Veröffentlichung. Die Forschungsergebnisse wurden in Science Robotics veröffentlicht.

Neues Design ermöglicht mehr Leistung und mehr Platz

Frühere Versionen des Roboterinsekts bestanden aus vier identischen Einheiten mit jeweils zwei Flügeln, die zu einem rechteckigen Gerät von der Größe einer Mikrokassette zusammengefasst waren. „Aber es gibt kein Insekt, das acht Flügel hat. In unserem alten Design war die Leistung jeder einzelnen Einheit immer besser als die des gesamten Roboters“, sagt Chen.

Dieser Leistungsabfall wurde zum Teil durch die Anordnung der Flügel verursacht, die beim Schlagen Luft ineinander bliesen, wodurch die Auftriebskräfte, die sie erzeugen konnten, verringert wurden.

Mit dem neuen Design wird der Roboter in zwei Hälften geteilt. Jede der vier identischen Einheiten hat nun einen Schlagflügel, der von der Mitte des Roboters weg zeigt, wodurch die Flügel stabilisiert und ihre Auftriebskräfte erhöht werden. Mit nur halb so vielen Flügeln schafft dieses Design auch Platz, so dass der Roboter Elektronik tragen kann.

Weniger Anstrengung, mehr Kraft

Die Bewegung der Roboterflügel wird von künstlichen Muskeln angetrieben. Diese winzigen, weichen Aktuatoren lassen sich schnell zusammendrücken und ausdehnen und erzeugen so eine mechanische Kraft, die die Flügel zum Flattern bringt. Wenn die Bewegungen des Aktuators die extrem hohen Frequenzen erreichen, die für den Flug erforderlich sind, knickten die Geräte bei früheren Konstruktionen oft ein. Das verringerte die Leistung und Effizienz des Roboters. Deshalb entwickelten die Forscher Getriebe, die die Flügel mit den künstlichen Muskeln verbinden. Diese Getriebe verringern die mechanische Belastung, die die Lebensdauer früherer Versionen begrenzte:. Die neuen Getriebe verhindern diese Knickbewegung, so dass die künstlichen Muskeln weniger belastet werden und mehr Kraft für den Flügelschlag aufbringen können.

Eine weitere Neuheit ist ein langes Flügelscharnier, das die Torsionsbelastung während der Flügelschlagbewegung reduziert. Die Herstellung des Scharniers, das etwa 2 Zentimeter lang ist, aber nur einen Durchmesser von 200 Mikrometern hat, war eine der größten Herausforderungen für die Forscher.

Roboterinsekt fliegt Buchstaben nach

Wenn alle vier Einheiten an ihrem Platz sind, kann das neue Roboterinsekt mehr als 1000 Sekunden lang schweben, was fast 17 Minuten entspricht, ohne dass die Flugpräzision nachlässt. Der neue Roboter erreichte außerdem eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 35 Zentimetern pro Sekunde - der schnellste Flug, den Forscher bisher verzeichnet haben - und führte dabei Körperrollen und Doppelflips aus. Er kann sogar eine Flugbahn präzise verfolgen, die MIT buchstabiert.

Doch selbst mit diesen Designinnovationen besteht immer noch eine Lücke zwischen den besten Roboterinsekten und den echten Tieren. Eine Biene zum Beispiel hat nur zwei Flügel, kann aber dennoch schnelle und sehr kontrollierte Bewegungen ausführen.

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