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Roboterinsekt hebt ab
An der Harvard University ist eine lebensgroße Roboterfliege geflogen. Mit einem Gewicht von nur 60 Milligramm und einer Flügelspannweite von drei Zentimetern sind die Bewegungen des winzigen Roboters denen einer echten Fliege nachempfunden. Während an dem mechanischen Insekt noch viel zu tun ist, könnten solche kleinen Flugmaschinen eines Tages als Spione oder zum Aufspüren schädlicher Chemikalien eingesetzt werden, sagen die Forscher.
Erster Flug: Dieser winzige Roboter wiegt nur 60 Milligramm und hat eine Flügelspannweite von drei Zentimetern. Es ist der erste Roboter, der einen Abheben nach dem Vorbild einer Fliege und in einem so kleinen Maßstab erreicht.
Die Natur macht die besten Flieger der Welt, sagt Robert Wood , Leiter des Robotic-Fly-Projekts in Harvard und Professor an der School of Engineering and Applied Sciences der Universität.
Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency finanziert Woods Forschung in der Hoffnung, dass sie zu Stealth-Überwachungsrobotern für das Schlachtfeld und städtische Umgebungen führt. Die geringe Größe und das fliegenähnliche Aussehen des Roboters sind für solche Missionen entscheidend. Sie würden wahrscheinlich keine Fliege im Raum bemerken, aber einen Falken würden Sie sicherlich bemerken, sagt Wood.
Die effizienten Bewegungen einer Fliege in einem Roboter in etwa der Größe eines echten Insekts nachzubilden, war jedoch schwierig, da bestehende Herstellungsverfahren nicht verwendet werden konnten, um die erforderlichen robusten und leichten Teile herzustellen. Die Motoren, Lager und Gelenke, die normalerweise für große Roboter verwendet werden, würden für etwas von der Größe einer Fliege nicht funktionieren. Das einfache Herunterskalieren bestehender Techniken im Makrobereich wird nicht annähernd die Leistung erreichen, die wir benötigen, sagt Wood.
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Sehen Sie der Fliege beim Abheben zu.
Sehen Sie, wie sich der Flügel in Zeitlupe bewegt.
Mit den Verfahren zur Herstellung mikroelektromechanischer Systeme lassen sich zum Teil extrem kleine Teile herstellen. Aber solche Prozesse erfordern viel Zeit und Geld. Wood und seine Kollegen von der University of California, Berkeley, benötigten einen kostengünstigen, schnellen Herstellungsprozess, damit sie problemlos verschiedene Iterationen ihrer Designs herstellen konnten.
Schließlich entwickelte das Team einen eigenen Herstellungsprozess. Mithilfe von Laser-Mikrobearbeitung schneiden die Forscher dünne Kohlefaserplatten in zweidimensionale Muster, die auf wenige Mikrometer genau sind. Polymerblätter werden nach dem gleichen Verfahren geschnitten. Durch die sorgfältige Anordnung der Kohlefaser- und Polymerplatten können die Forscher funktionale Teile herstellen.
Um beispielsweise ein Festkörpergelenk zu schaffen, ordnen die Forscher zwei winzige Stücke Carbon-Verbundstoff an und lassen eine Lücke dazwischen. Dann fügen sie eine Polymerplatte senkrecht über die beiden Carbonteile, wie eine Tischplatte auf zwei kurzen Beinen. Als letzte Deckschicht werden an beiden Enden des Polymers zwei neue Kohlefaserstücke angebracht. Wenn alle Teile zusammen ausgehärtet sind, ähnelt das resultierende Teil dem Buchstaben H: Die Mitte ist flexibel, aber die Seiten sind starr.
Durch das Zusammenfügen vieler kleiner Carbon-Polymer-Stücke können die Forscher ziemlich komplizierte Teile herstellen, die sich genau nach Bedarf biegen und drehen lassen. Um Teile herzustellen, die sich als Reaktion auf elektrische Signale bewegen, verwenden die Forscher elektroaktive Polymere, die ihre Form ändern, wenn sie einer Spannung ausgesetzt werden. Der gesamte Herstellungsprozess wird in einem Papier beschrieben, das in einer kommenden Ausgabe des Zeitschrift für Maschinenbau .
Nach mehr als sieben Jahren Arbeit an der Erforschung der Flugdynamik und der Verbesserung verschiedener Teile ist Woods Fliege in diesem Frühjahr endlich erfolgreich. Als ich die Fliege zum Abheben bekam, hüpfte ich buchstäblich im Labor auf und ab, sagt er.
Andere Forscher haben Roboter gebaut, die Insekten nachahmen, aber dies ist der erste zweiflügelige Roboter, der in so kleinem Maßstab gebaut wurde und mit den gleichen Bewegungen wie eine echte Fliege abheben kann. Die Dynamik eines solchen Fluges ist sehr kompliziert und wird seit Jahren von Forschern wie Ron hat Angst , Woods ehemaliger PhD-Berater an der University of California, Berkeley. Fearing, der seine eigenen Roboterinsekten baut, sagt, dass er sehr beeindruckt war von der Tatsache, dass Woods Insekt fliegen kann: Es ist sicherlich ein großer Durchbruch. Aber Fearing sagt, dass dies die erste von vielen Herausforderungen beim Bau einer praktischen Fliege ist.
Im Moment wird Woods Fliege durch ein Halteseil begrenzt, das sie in einer geraden Aufwärtsrichtung hält. Die Forscher arbeiten derzeit an einer Flugsteuerung, damit sich der Roboter in verschiedene Richtungen bewegen kann.
Außerdem arbeiten die Forscher an einer Bordstromquelle. (Derzeit wird der Flugroboter extern mit Strom versorgt.) Wood sagt, dass eine verkleinerte Lithium-Polymer-Batterie weniger als fünf Minuten Flugzeit bieten würde.
Auch kleine, leichte Sensoren müssen integriert werden. Chemische Sensoren könnten beispielsweise eingesetzt werden, um toxische Stoffe in Gefahrenbereichen zu detektieren, damit Menschen mit entsprechender Schutzausrüstung den Bereich betreten können. Wood und seine Kollegen müssen außerdem Software-Routinen für die Fliege entwickeln, damit sie Hindernissen ausweichen kann.
Dennoch ist Wood stolz darauf, einen wichtigen Projektmeilenstein erreicht zu haben: das Fliegen. Es ist eine ziemlich große Sache, sagt er. Viele Leute dachten, es würde nie abheben können.