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Miniaturisierung: Flatternder Roboter macht die Fliege

Fliegender FliegenroboterLaden...

Seit Jahren forschen Wissenschaftler des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Entwicklung von Robotern in der Größenordnung von Stubenfliegen. Nun präsentieren sie in einer aktuellen Studie ein Fluggerät, das gerade einmal 14 Millimeter groß ist und über 20 Sekunden im Schwebeflug verharren kann.

Bislang muss das Gerät noch über ein Kabel mit Strom und Steuerbefehlen versorgt werden. Es kann sich außerdem nur innerhalb der Reichweite von Sensoren bewegen, die Position und Fluglage an einen Computer mitteilen, der aus diesen Daten die Kommandos errechnet. Bei ihrer Arbeit ging es dem Team um Kevin Ma und Pakpong Chirattananon dementsprechend nur darum, zunächst die Grenzen der Miniaturisierung auszuloten: Bei Objekten in diesem Maßstab würden ganz andere Kräfte auftreten, als man es aus dem Flugzeugbau gewohnt sei. Ein Propeller oder ähnliche konventionelle Antriebe seien darum nicht in Frage gekommen.

Der 14 Millimeter hohe FliegerLaden...
14 Millimeter hohe Flieger | Zum Größenvergleich dient hier ein 1-US-Cent-Stück. Um derart kleine Fluggeräte bauen zu können, experimentierten die Forscher mit neuartigen Fabrikationsmethoden.

Auch beim Antrieb mussten die Forscher aus Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts improvisieren. Statt eines rotierenden Elektromotors verwendeten sie piezoelektrische Materialien, die ihre Form verändern, sobald eine Spannung angelegt wird. Das schnelle Vibrieren dieser "Muskeln" wird in den 120-Hertz-Flügelschlag des Roboters übersetzt. Mit 19 Milliwatt verbrauche das 80 Milligramm schwere Gerät ungefähr genauso viel Energie wie ein gleich großes Insekt. Allein über die Auslenkung der Flügel und deren Anstellwinkel kann es sich um alle drei Körperachsen drehen.

Nach neuen Wegen verlangte auch die Herstellung der winzigen Bauteile – diese seien nämlich im Schnitt zu klein für herkömmliche Produktionsverfahren, aber zu groß, um sie mit Hilfe der siliziumbasierten Mikromechanik zu fabrizieren. Ma, Chirattananon und Kollegen verlegten sich deshalb darauf, die Zuschnitte per Laser aus kohlefaserverstärkten Kompositmaterialien zu fräsen.

Um aus ihrem Produkt einen vollwertigen Roboter zu machen, sind demnach noch einige weitere Entwicklungen nötig. Wünschenswert wäre es, das Gerät von der externen Stromversorgung unabhängig zu machen. Doch derzeitige Batterien würden das Gerät nur für wenige Minuten mit Strom versorgen, wobei der Energiebedarf eines Bordcomputers noch gar nicht eingerechnet sei, meinen die Forscher. Ein weiterer großer Schritt nach vorne wären eingebaute Fluglagesensoren und ein leistungsstarker Prozessor. Das jedoch dürfte sie ebenfalls vor beträchtliche Herausforderungen stellen, wäre aber unabdingbar, soll sich der Roboter eines Tages autonom fortbewegen können.

© Kevin Ma, Pakpong Chirattananon
Stabile Fluglage
Der Flieger kann sich nur innerhalb eines sensorbestückten Raumvolumens aufhalten. Die reflektierenden Knubbel an der Seite dienen den Bewegungssensoren als Anhaltspunkte, um die Position und Ausrichtung zu ermitteln. Anhand dieser Daten steuert der Computer das Fluggerät. Er kann es dabei auch vordefinierte Wegpunkte ansteuern lassen.
19. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19. KW 2013

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