Zentimetergenau: Kleiner Roboter kann so hoch springen, wie ihm vorgegeben wird

Er ist 50 Millimeter breit, wiegt ein Gramm und kann mit einer kleinen Rampe als Starthilfe eine Treppenstufe in gängiger Höhe überspringen. Ein Team von Ingenieurswissenschaftlerinnen und Ingenieurswissenschaftlern der University of Washington hat in einer Pressemeldung einen kleinen Hüpfroboter namens DirectHop vorgestellt. Am 30. September soll er bei der „International Conference on Intelligent Robots and Systems“ in Aktion präsentiert werden.

Elektromotor und drei klappbare Beine

Der Roboter besteht aus einem kleinen Elektromotor und drei klappbaren Beinen. Damit kann er sich laut der Mitteilung mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter auf eine vorgegebene Sprunghöhe katapultieren.

Bei bisherigen Hüpfrobotern war es eines der Hauptprobleme, den Sprung genau zu kalibrieren. Sie waren meist nach dem Vorbild eines Flohs modelliert. Ihre Sprungfedern und Einrastvorrichtungen waren dem Bewegungsablauf der Insekten nachgebildet.

Doch bei diesem Mechanismus ließ sich die Sprungweite kaum kalibrieren: Eine Feder entlädt sich nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Außerdem seien Federn und Verriegelungen in kleinem Maßstab schwer zu bauen, heißt es in der Pressemitteilung.

Motor statt Sprungfedern

Dieses Problem löste das Team, indem sie bei DirectHop auf Sprungfedern verzichten. „Wir haben festgestellt, dass ein sehr kleiner Elektromotor schnell genug beschleunigen kann, um einen Sprung direkt anzutreiben – so wie die Beinmuskeln eines Frosches dessen Sprung direkt antreiben“, so Hanquan Wang, einer der Autoren der dazugehörigen Studie. 

Der Motor ist mit einer Angelschnur an einer Art Turm befestigt. Wenn er beschleunigt, spult er die Schnur auf und zieht sich damit an dem Turm empor. Dabei reißt er den Rest des Roboters nach oben. Indem man den Strom für den Motor verändert, passt man die Sprunghöhe an.

DirectHop kann sich selbst aufrichten

Während des Flugs kippt der Roboter oft in der Luft und landet auf der Seite. Doch da ihn die Forschenden mit einem Überrollkäfig ausgestattet haben, kann er sich selbst wieder aufrichten.

Dies gelingt DirectHop, indem der Motor den Turm hinunterfährt. Dies verlagert den Schwerpunkt des Roboters, er gerät so wieder in seine Ausgangsposition. So ist er für den nächsten Sprung bereit. Dieser Bewegungsablauf ist wiederum von einem Tier inspiriert, diesmal von der Dosenschildkröte.

Autonomes Treppensteigen als nächstes Ziel

Noch hat der Hüpfroboter ein paar Einschränkungen. So muss der Prototyp über ein Kabel mit Strom versorgt werden. Außerdem kann er sich noch nicht autonom neu ausrichten, wohin er als Nächstes springt.

Langfristig soll er Solarzellen eingebaut bekommen, ein Vibrationsmotor soll ihn künftig an Ort und Stelle drehen können. Eine integrierte Kamera und Elektronik sollen ihm erlauben, selbstständig zu navigieren.

„Eines unserer Ziele ist das vollständig autonome Treppensteigen“, sagte Studienautor Sawyer Fuller. „Eine Kamera erfasst die Treppe, der Prozessor berechnet, wie hoch der Roboter springen muss, er steuert sich selbst in Position, springt, richtet sich wieder auf, steuert erneut und wiederholt den Vorgang.“

Das ist der Vorteil eines hüpfenden Roboters gegenüber Drohnen

Laut den Forschenden könnten Roboter wie DirectHop künftig eingesetzt werden, um etwa Gaslecks aufzuspüren. Außerdem könnten sie auf einem Bauernhof den Wasser- oder Düngemittelverbrauch überwachen – und sogar Planeten erkunden.

Bei diesen Aufgaben sind sie laut der Studie fast um zwei Größenordnungen energieeffizienter als Drohnen. Auch dies erklären die Forschenden mit einem Vergleich aus der Tierwelt. Während ein Moskito permanent Energie aufbringen muss, um sich in der Luft zu halten, springt ein Floh nur dann, wenn er muss. Ansonsten kann er Energie sparen.