Aktuatoren aus Formgedächtnislegierung treiben schnellste Roboter-Insekten an

Wissenschaftlern der Washington State University (WSU) ist es gelungen, zwei insektenähnliche Roboter zu entwickeln, die die kleinsten, leichtesten und schnellsten der Welt sein sollen. Bei einem der Roboter handelt es sich um einen Roboter-Mini-Käfer, der andere ist einem Wasserläufer nachempfunden.

Miniatur-Roboter sind für ein breites Anwendungsspektrum prädestiniert. Sie könnten etwa zur künstlichen Bestäubung, Umweltüberwachung, Mikrofertigung, zu Search&Rescue-Aufgaben sowie in der robotergestützten Chirurgie eingesetzt werden. Das Aufgabengebiet der beiden von WSU-Forschenden entwickelten Kleinst-Roboter dürfte eher in den Bereichen Bestäubung, Umweltüberwachung und Search&Rescue liegen.

Bei den beiden Robotern handelt es sich um einen Roboter-Mini-Käfer mit einem Gewicht von lediglich 8 mg und einen Roboter-Wasserläufer, der 55 mg auf die Waage bringt, schreiben die Forscher in ihrem wissenschaftlichen Paper "A New 1-mg Fast Unimorph SMA-Based Actuator for Microrobotics", der in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) veröffentlicht ist. In der Studie gehen die Wissenschaftler vor allem auf die Aktuatoren ein, die es ermöglichen, dass sich die Roboter mit einer Geschwindigkeit von flotten 6 mm/s fortbewegen können. Diese Geschwindigkeit ist zwar im Verhältnis zu echten Insekten noch recht gering, Ameisen mit einem Gewicht von etwa 5 mg kommen auf eine Geschwindigkeit von knapp ein Meter pro Sekunde. Aber im Vergleich zu bestehenden Miniatur-Robotern ist das sehr schnell.

1-mg-Aktuator mit schneller Reaktionszeit

Die vergleichsweise hohe Geschwindigkeit der beiden Roboterinsekten resultiert aus einem speziell für sie entwickelten Aktuator, der mit neuester Fertigungstechnik erstellt wurde, wie die Forscher schreiben. Er wiegt weniger als ein Milligramm und ist laut WSU-Wissenschaftlern der kleinste jemals hergestellte Aktuator.

Der Aktuator besteht aus Material mit einer Formgedächtnislegierung. Das Material kann bei Wärmezufuhr seine Form ändern. Nach Abkühlung nimmt es wieder die ursprüngliche Form an. Ein Motor und zusätzliche bewegliche oder rotierende Komponenten benötigt der Aktuator im Vergleich zu herkömmlichen Varianten nicht.

"Sie sind mechanisch sehr solide", sagt Conor Trygstad, Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau und Werkstofftechnik, der zugleich Hauptautor der Studie ist. "Die Entwicklung des sehr leichten Aktuators eröffnet neue Möglichkeiten in der Mikrorobotik."

Für größere Roboter eignet sich diese Technik allerdings nicht, weil es zu lange dauern würde, die nötigen stabilen Aktuatoren schnell genug zu erwärmen und wieder abzukühlen. In kleinen Robotern können jedoch winzige filigrane Drähte aus der Legierung verwendet werden, die sich schnell erhitzen und wieder abkühlen lassen. In den beiden Insektenrobotern verwenden die Forscher solche Drähte mit einer Formgedächtnislegierung. Die Drähte haben lediglich einen Durchmesser von einem Tausendstel eines Zolls. Eine geringe Stromstärke reicht aus, um sie zu erwärmen, zu verformen, abzukühlen und wieder in ihre Ausgangsform zu bringen.

Diese Aktuatoren schaffen es, dass die Roboter bis zu 40-mal pro Sekunde mit ihren Flossen schlagen oder ihre Füße bewegen können. Darüber hinaus sind die Mikro-Aktuatoren in der Lage, das 150-fache ihres Eigengewichtes zu tragen, also bis zu 150 mg.

Autonomer Insektenroboter für Über- und Unterwasser

Die Wissenschaftler wollen ihre Arbeit fortsetzen und einen insektenartigen Roboter entwickeln, der sich auf und unter der Wasseroberfläche bewegen kann. Außerdem arbeiten sie an winzigen Batterien und katalytischer Verbrennung, um die Roboter anzutreiben und sie vollständig autonom und unabhängig von einer Stromversorgung zu machen.

(olb)