Forschung Schmetterlinge beflügeln Robotik

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Monarchfalter sind bekannt für ihre Ausdauer. Der Schlüssel zu dieser Leistung liegt in den Flügeln, die die Insekten durch aktiver Bewegung und passiver Biegung energieeffizient fliegen lassen.

Forschende der Technischen Universität Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben sich vom Monarchfalter inspirieren lassen und flexible Roboterflügel entwickelt, die durch Magnetfelder bewegt werden. Inspiriert von der Effizienz und Anpassungsfähigkeit der Flügel des Schmetterlings, ermöglichen sie präzise Bewegungen ohne Elektronik oder Batterien.

Das Team unter der Leitung von Professor Oliver Gutfleisch (Institut für Materialwissenschaft der TU Darmstadt) und Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) baute Flügel aus einem flexiblen Kunststoff, in den magnetische Partikel eingebettet wurden. Externe Magnetfelder veranlassen diese Partikel, sich zu bewegen, wodurch sich die Flügel biegen und die Bewegungen des Schmetterlingsflugs imitieren.

Herausforderungen bei der Entwicklung der magnetischen Flügel

Der Entwicklungsprozess war herausfordernd: Mithilfe von 3D-Druck wurden zunächst zwölf verschiedene Flügeldesigns hergestellt. Einige Designs enthielten Adernstrukturen, die den natürlichen Flügeladern der Monarchfalter nachempfunden waren. Ziel war es, mit einer Kombination aus Finite-Elemente-Analysen und Experimenten herauszufinden, wie sich diese Muster auf die Beweglichkeit und Effizienz der Flügel auswirken.

Externe Magnetfelder veranlassen die magnetischen Partikel, die in die Flügel eingebettet sind, sich zu bewegen. Dadurch biegen sich die Flügel und imitieren die Bewegungen des Schmetterlingsflugs.

Die Ergebnisse wurden jüngst im Journal „Advanced Intelligent Systems“ veröffentlicht. Sie zeigen, dass größere Flügel mit Adernstrukturen besonders anpassungsfähig sowie unempfindlich sind und sich leichter biegen lassen. „Die größte Herausforderung bestand darin, ultradünne, flexible Strukturen zu drucken, die gleichzeitig robust genug sind, um den Belastungen standzuhalten“, erklärt Kilian Schäfer, einer der Hauptautoren der Studie.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten von bioinspirierter Robotik

Die potenziellen Einsatzmöglichkeiten der magnetischen Flügel sind vielfältig. Im Umweltbereich könnten so „beflügelte“ Roboter beispielsweise zur Überwachung von Bestäuberpopulationen oder für Studien zur Luftqualität genutzt werden. Da die Flügel kleines und energieeffizientes Design ermöglichen, wären solche Roboter ideal, um zum Beispiel in Katastrophengebiete vorzudringen, wo sie zur Suche und Rettung von Menschen eingesetzt werden könnten.

Der Fokus der Studie lag darauf, flexible magnetische Flügel zu entwickeln, die ohne elektronische Komponenten funktionieren. Der neue Ansatz kann jedoch auch auf andere Gestalt-verändernde Roboter übertragen werden. So eröffnet die neu entwickelte Technologie zum Beispiel Möglichkeiten für die Medizin: Leichtgewichtige Roboter mit präzise steuerbaren Bewegungen könnten in der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt werden, etwa für Operationen an empfindlichen Geweben. Darüber hinaus könnten die Prinzipien der bioinspirierten Robotik in der Entwicklung künstlicher Muskeln oder intelligenter Materialien Anwendung finden, die ihre Form je nach Bedarf verändern können.

Hoffnung auf autonome Bewegungen dank Mini-Generator

Bis zur Anwendung der neuen Technologie sind weitere Forschungsarbeiten nötig. „Die derzeitigen Flügel erfordern noch externe Magnetfelder, aber zukünftige Entwicklungen könnten miniaturisierte Magnetfeldgeneratoren integrieren, um autonome Bewegungen zu ermöglichen“, erklärt Muhammad Bilal Khan, ebenfalls Hauptautor der Studie. Das Team möchte erforschen, wie Modifikationen im Magnetfeld die komplexe Steuerung der Bewegungen und Flugrouten ermöglichen.

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