Roboterflöhe kommen in Aktion

Es wurde ein autonomer Roboterfloh entwickelt, der dank des wohl kleinsten Gummibandes der Welt fast das 30-fache seiner Höhe springen kann.

Heben: Winzige mikroelektromechanische Systeme (MEMS)-Motoren spannen ein winziges neun Mikrometer dickes, zwei Millimeter langes Gummiband, damit sich ein Mikrobot wie ein Floh durch die Luft katapultieren kann.

Schwärme solcher Roboter könnten schließlich verwendet werden, um Netzwerke verteilter Sensoren zum Aufspüren von Chemikalien oder für militärische Überwachungszwecke zu schaffen, sagt Sarah Bergbreiter , einem Elektroingenieur an der University of California, Berkeley, der die Roboter entwickelt hat.

Die Idee ist, dass das Dehnen eines nur neun Mikrometer dicken Silikongummibands es diesen Mikrorobotern ermöglichen kann, sich zu bewegen, indem sie sich selbst in die Luft katapultieren. Erste Tests zeigen, dass die solarbetriebenen Bots genug Energie speichern können, um einen 7-Millimeter-Roboter 200 Millimeter hoch springen zu lassen.

Dieses flohähnliche ballistische Springen würde es diesen Sensoren ermöglichen, mobil zu sein, relativ große Distanzen zu überwinden und Hindernisse zu überwinden, die normalerweise für mikrometergroße Bots ein großes Problem darstellen würden, sagt Bergbreiter.

Solche Sensoren könnten von einem Flugzeug verstreut werden, aber möglicherweise nicht in den idealsten Positionen landen, sodass sie, wenn sie mobil sind, sie, wenn auch etwas zufällig, neu positioniert werden können. Verteilte Sensoren geben im Allgemeinen das große Bild, sagt Bergbreiter. Dies liegt daran, dass sie im Vergleich zu traditionelleren, nicht verteilten Ansätzen zur Erfassung eine detailliertere Auflösung über einen größeren Bereich bieten können.

Bei Miniaturrobotern ist Hüpfen eine gute Option, wenn Sie versuchen, sich über unebenes Gelände zu bewegen, sagt Metin Sitti , Assistant Professor am Nanorobotics Lab am Robotics Institute der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. Bei dieser Größe ist der kritische Punkt die Leistung, daher ist es eine gute Wahl, Energie zu speichern, sagt er.

Die beeindruckenden Sprungfähigkeiten von Insekten wie Flöhen beruhen auf ihrer Fähigkeit, Energie in einem elastomeren Protein namens Resilin zu speichern. Dadurch können sie eine große Menge Energie speichern und diese dann als Bewegung sehr plötzlich wieder abgeben. Doch während Insekten die Energie durch das Zusammenpressen eines Elastomers speichern, hat sich Bergbreiter für ein System entschieden, das eines dehnt.

Arbeiten mit Kris Pister Im Rahmen des Berkeley Smart Dust-Projekt , das zum Aufbau von verteilten Sensornetzwerken eingerichtet wurde, die mithilfe von Mesh-Netzwerken über große Entfernungen kommunizieren können, wollte Bergbreiter solchen Sensoren eine nützliche Mobilität geben. Sie schuf ein winziges Solarzellen-Array, um das Gerät mit Strom zu versorgen, einen Mikrocontroller, der sein Verhalten steuert, und eine Reihe von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS)-Motoren auf einem Siliziumsubstrat. Letztere wurden als Teil eines Ratschenmechanismus namens Inchworm-Motoren verwendet, der zwei Haken auseinanderzieht, um das Gummiband zu dehnen.

Bergbreiter hat in Zusammenarbeit mit dem Smart Dust Project das Gummiband geschaffen, indem er mit einem sehr feinen Infrarotlaser einen nur neun Mikrometer dicken und zwei Millimeter langen kreisförmigen Streifen aus einer dünnen Silikonfolie schneidet. Anschließend wurde es mit nur einer Ultrapräzisionspinzette, einem Stereomikroskop und einer ruhigen Hand an den Streckmechanismus des Roboters eingehängt. Das sei ein bisschen wie das Spielen des Kinderspiels Operation, nur härter, sagt Bergbreiter.

Um den Roboter-Prototyp zu testen, hat Bergbreiter ihn so angeschlossen, dass der Bot nicht springt, sondern sein Bein so positioniert ist, dass es gegen einen Gegenstand tritt. Dadurch konnte sie die freigesetzte Energie berechnen. Bisher hat Bergbreiter nur versucht, das Gummiband teilweise zu dehnen, was für den 10-Milligramm-Roboter einen Sprung von etwa 12 Millimetern erreichen würde. Nach den Ergebnissen dieses Tests, sagt sie jedoch, wären mit einer vollen Strecke Sprünge von bis zu 200 Millimetern möglich, und sie würden horizontal etwa doppelt so viel Boden zurücklegen. Die Ergebnisse werden nächste Woche auf der International Conference on Robotics and Automation in Rom, Italien, präsentiert.

Der aktuelle sieben Millimeter lange Prototyp ist immer noch deutlich größer als ein Floh. Bergbreiter möchte den Roboter jedoch auf etwa einen Millimeter, also Flohgröße, schrumpfen lassen. Außerdem muss sie noch die winzige Photovoltaik-Solarzelle hinzufügen, die separat hergestellt wurde. Der nächste Schritt sei, alles zusammenzufügen, sagt sie.

Einer der Vorteile von Robotern im Insektenmaßstab besteht darin, dass sehr hohe Startgeschwindigkeiten erzeugt werden können. Deshalb können Insekten so relativ große Sprünge machen. Wenn das Volumen eines Objekts verringert wird, nimmt seine Masse viel schneller ab, was wiederum große Beschleunigungen ermöglicht.

Es gibt jedoch einen Kompromiss. Der Luftwiderstand nimmt zu, wenn man kleiner wird, sagt Bergbreiter. Der Trick besteht also darin, sicherzustellen, dass die Größe der Bots genügend Vorteile in Bezug auf die Beschleunigung bietet, um die Kosten für zusätzlichen Luftwiderstand aufzuwiegen.

Aber um diese Bewegung zu erzeugen, wird immer noch mehr Energie benötigt, als der Roboter durch seine Solarzellen aus seiner Umgebung auffangen kann. Dies sei bei autonomen Robotern häufig der Fall, weshalb eine Speicherung der Energie notwendig sei, sagt Chris Melhuish , Professor für Robotik und Direktor des Bristol Robotics Laboratory an der University of Bristol und der University of the West of England, UK.

Es ist wahrscheinlich, dass die einzige andere Möglichkeit, solche relativ großen Entfernungen zu überwinden, der Flug ist. Aber das Fliegen bringt ganz neue Herausforderungen mit sich, sagt Bergbreiter. Es erfordert sehr leistungsstarke Motoren, um Flügel zu schlagen oder einen Propeller anzutreiben, und angesichts der Auswirkungen, die Wind auf so kleine Objekte haben kann, gibt es große Steuerungsprobleme. Das Springen hingegen würde es Robotern ermöglichen, ohne großen Energiebedarf viel größere Distanzen zu bewegen.

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