Käfer als Vorbild

Forscher entwickeln sprungstarken Mini-Roboter

Der Sprungmechanismus der Miniaturroboter wurde von Schnellkäfern inspiriert.

(Bild: Wirestock Creators - stock.adobe.com)

Inspiriert von springenden Insekten, haben Forscher der Universität Oxford einen Miniaturroboter entwickelt, der mehr als das 40-fache seiner Körperlänge springen kann - das entspricht dem Sprung eines Menschen in den 20. Stock eines Gebäudes. Die Innovation könnte den Wissenschaftlern zufolge einen großen Schritt bzw. Sprung vorwärts bei der Entwicklung von Mikrorobotern für eine breite Palette von Anwendungen bedeuten.

Trotz ihrer geringen Größe sind Insekten phänomenale Springer, die mit erstaunlicher Geschwindigkeit ein Vielfaches ihrer Körperlänge überspringen können. Forscher haben diese Fähigkeiten nun erfolgreich in einem Miniaturroboter nachgeahmt, der eine große Menge an potenzieller Energie speichern und diese dann schnell freisetzen kann, um einen Sprung auszuführen.

Das Team geht davon aus, dass die Konstruktion letztlich die Herstellung vollständig autonomer Miniaturroboter ermöglichen könnte, die in der Lage sind, sich auf unbekanntem Terrain zu bewegen und sich selbst aufzurichten. Dank ihrer Fähigkeit, kleine Räume zu erreichen, könnten sie in der Präzisionslandwirtschaft und bei der Wartung großer Maschinen wie Turbinen und Düsentriebwerken eingesetzt werden.

Der winzige Roboter, der weniger als 14 Gramm wiegt, wurde von Schnellkäfern inspiriert, die einer Mitteilung der Uni zufolge springen können, ohne ihre Beine zu benutzen. Ihr Körper speichert stattdessen Spannenergie in einem flexiblen Gelenk zwischen Kopf und Hinterleib, das den Körper des Käfers durch eine interne Verriegelung in einer gekrümmten Position hält. Wird diese Verriegelung gelöst, weil der Käfer vor einem Fressfeind fliehen muss, wird das Gelenk freigegeben und der Körper des Käfers biegt sich extrem schnell auf, was zu einem kraftvollen Sprung führt.

Der Roboter ahmt den Mechanismus des Schnellkäfers nach, indem er einen verformbaren Körper hat, der aus einem Balken aus rostfreiem Stahl besteht, der an einem künstlichen Muskel aus Nylonfasern befestigt ist. Wenn sich der Muskel zusammenzieht, knickt der Balken ein, wodurch Spannenergie gespeichert wird. Knickt der Balken schließlich gegen eine starre Schiene, schlägt diese auf dem Boden auf und setzt die gespeicherte Energie frei (siehe Video). Das Signal zum Sprung geben die Wissenschaftler dabei per Licht.

„Das Beste aus natürlichem Design und von Menschenhand geschaffener Innovation“
Professor Vella vom Mathematischen Institut der Universität Oxford erklärt: „Dieser Roboter vereint das Beste aus natürlichem Design und von Menschenhand geschaffener Innovation. Insekten können sich extrem schnell bewegen, aber keine großen Energiemengen speichern, weil sie durch natürliche Materialien eingeschränkt sind, während Roboter typischerweise große Energiemengen speichern, diese aber relativ langsam abgeben. Da die Energie in unserem Roboter in einem Balken aus rostfreiem Stahl gespeichert wird, kann er eine hohe Energiedichte erreichen, um noch höhere Sprünge als Schnellkäfer zu vollführen.“

Besonders erstaunt zeigten sich die Wissenschaftler laut Eigenangaben von der enormen Beschleunigung, die der Roboter erfährt. „Während des Sprungs erreicht der Roboter eine Spitzenbeschleunigung von 250 G. Im Vergleich dazu erreicht ein Astronaut beim Start einer Weltraumrakete etwa 3 G, und der Mensch hat bei etwa 9 G einen Blackout“, so Vella.

Sein Kollege Dr. Mingchao Liu geht davon aus, dass in Zukunft Flotten von durch Insekten inspirierten Robotern bei Naturkatastrophen, bei Such- und Rettungseinsätzen, in gefährlichen Umgebungen oder in anderen Situationen, in denen größere Roboter unzugänglich sind, zum Einsatz kommen könnten. Springen sei dabei die effektivste Art, auf kleinem Raum zu manövrieren.