Widerstandsfähiger weicher Flugroboter fliegt nach Kollisionen einfach weiter

Ein Forschungsteam der University of California Los Angelas (UCLA) und der University of California Davis (UC Davis) hat einen winzigen Flugroboter entwickelt, der die Widerstandsfähigkeit fliegender Insekten nachahmt. Der Flugroboter besteht aus einer flexiblen Polymerstruktur und übersteht sogar einen Schlag mit einer Fliegenklatsche.

Winzige Flugroboter, die etwa für Inspektionsarbeiten oder „Search&Rescue“-Missionen in engen Räumen eingesetzt werden sollen, sind meist aus empfindlichen Komponenten aufgebaut. Das macht sie allerdings anfällig, wenn sie in engen Räumen mit anderen Gegenständen kollidieren – ein Widerspruch.

Die Wissenschaftler der UCLA und UC Davis haben versucht, einen Flugroboter zu konstruieren, der klein und ähnlich widerstandsfähig ist wie Insekten. Jeder kennt es, wenn etwa eine Fliege mehrfach gegen eine Fensterscheibe fliegt, es ihr aber nichts auszumachen scheint und sie danach unbeirrbar weiterfliegt. Um diese Eigenschaften auf einen Flugroboter zu übertragen, benutzen die Wissenschaftler elektrisch steuerbare Polymermaterialien, die Kollisionen und andere physische Einwirkungen überstehen. Die Ergebnisse ihrer Forschung haben die Wissenschaftler in der Studie „Takeoff of an all-polymer micro aerial flying robot“ festgehalten, die in Science Robotics erschienen ist.

Flugroboter aus Polymermaterial

Der lediglich 185 mg leichte Flugroboter besteht komplett aus Polymermaterial. Polymere sind aus miteinander in langen Ketten verbundenen Molekülen aufgebaut. Der Roboter wird von flexiblen, kegelförmigen Flügeln aus Polymer angetrieben, die von einem elektrisch betätigten weichen Muskel bewegt werden. Der künstliche Muskel besteht aus einer dünnen Schicht relaxor-ferroelektrischen Polymers. Durch ein angelegtes elektrisches Feld wird eine Ausdehnung des Materials erzielt, was als Elektrostriktion bezeichnet wird. Die Ausdehnung ist reversibel, sodass der Muskel einen Schlagflügel antreiben kann. Die dabei erzeugten Schlagbewegungen seien nach Angaben der Forscher kraftvoll und erfolgen mit einer schnellen Reaktionszeit. Weitere Mechanik für den Schlagflügelantrieb wird nicht benötigt.

Die aerodynamisch asymmetrischen Flügel sind durch das Polymer flexibel. Durch die partiellen Verformungen der Flügel erzielt der Roboter einen starken Auftrieb. Zugleich sorgt die Flexibilität des Flügels dafür, dass er sich bei Kontakt mit festeren Materialien verformt, ohne Knicke oder Falten zu entwickeln. Das macht ihn gegenüber Stößen sehr widerstandsfähig.

Der von den Forschern entwickelte Prototyp erzielte einen Auftrieb des dreifachen des eigenen Körpergewichtes. Damit kann er eigenständig mit einer Fluggeschwindigkeit von 0,4 m/s aufsteigen. Die Wissenschaftler prüften die Widerstandsfähigkeit des Flugroboters, indem sie ihn in der Luft mit einer Fliegenklatsche malträtierten und zu Boden drückten. Außerdem setzten sie den Flugroboter einer Last aus, die dem 11.000-fachen des Eigengewichts entsprach. Der Roboter wurde dabei zwar stark plattgedrückt, konnte jedoch in beiden Fällen danach schadlos weiterfliegen.

Die Forscher der beiden kalifornischen Universitäten wollen den Flugroboter weiterentwickeln und mit Sensoren und einer eigenen Energiequelle ausstatten, um ihn für Einsätze außerhalb des Labors fit zu machen. Bisher wurde der Roboter über eine externe Stromverbindung betrieben. Der Flugroboter soll mit seiner „mechanischen Intelligenz“ in seinen Missionen nach einer Kollision wieder eigenständig weiterfliegen können.