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Schwimmen, tauchen, fliegen: Roboter-Biene mit Knalleffekt

| Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Das können nicht einmal Insekten: Forscher haben einen Mini-Roboter gebaut, der tauchen, schwimmen und fliegen kann. Knallgas lässt die Roboter-Biene explosionsartig aus dem Wasser schießen.

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Der Miniatur-Robot der Harvard University wiegt nur 175 Milligramm und kann sowohl tauchen als auch aus dem Wasser starten und fliegen.
Der Miniatur-Robot der Harvard University wiegt nur 175 Milligramm und kann sowohl tauchen als auch aus dem Wasser starten und fliegen.
(Bild: Yufeng Chen, E. Farrell Helbling, Hongqiang Wang)

Der Mini-Roboter wiegt viel weniger als ein Gramm - und kann dennoch fliegen, tauchen, schwimmen und raketenartig aus dem Wasser schießen. US-Forscher haben eine Art Roboter-Biene entwickelt, die nur 175 Milligramm wiegt. Erforderlich war dafür ein Flügel-Antrieb, der sowohl in der Luft als auch im Wasser funktioniert. Zudem ist bei einem Gerät mit so geringem Gewicht die Oberflächenspannung des Wassers ein Problem.

Wie sie die Herausforderungen gemeistert hat, berichtet die Gruppe um Robert Wood von der Harvard University in Cambridge (US-Staat Massachusetts) im Fachjournal "Science Robotics". "Das ist der erste Mikroroboter, der sich wiederholt durch komplexe Umgebungen bewegen kann", wird Erstautor Chen in einer Harvard-Mitteilung zitiert.

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Da Wasser etwa 1000 Mal dichter ist als Luft, gelten dort andere Antriebsbedingungen: "Luftpropeller sind für das Bewegen im Wasser nicht effizient, da ihre Rotationsgeschwindigkeit beträchtlich verringert werden muss", sagt Chen. Andernfalls könnten die feinen Flügel im Wasser brechen. Deshalb lassen die Forscher den Mini-Roboter in zwei Frequenzen flattern - in der Luft um 260 Hertz, im Wasser bei etwa 11 Hertz.

Vier Balancestäbe mit Auslegern an den Enden machen das Gerät etwa vier Zentimeter lang und sorgen dafür, dass es sich auch in Wasser aufrecht hält. Kern des Roboters ist aber eine kleine rechteckige Box mit einem Deckel aus Titan und dem Kunststoff Polyimid sowie Seitenwänden aus Kohlenstofffasern. Die Box hat es buchstäblich in sich, denn sie enthält eine Zündvorrichtung und Elektroden, mit denen Wasser per Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden kann.

Lässt sich der Flatter-Roboter auf Wasser nieder, sorgt die Oberflächenspannung normalerweise dafür, dass er nicht versinkt. Mit einem Benetzungsmittel erreichten die Forscher das Einsinken. Beim Start der Elektrolyse füllt sich die kleine Box mit einem Gemisch aus Wasserstoff- und Sauerstoffgas, auch als Knallgas bekannt. Das Gas in der Box gibt dem Roboter dann Auftrieb. Sobald seine Flügel aus dem Wasser ragen und sich trocken geflattert haben, lässt ein Funke das Gas explosionsartig zu Wasser reagieren, und der Roboter schießt aus dem Wasser und steigt dabei bis zu 37 Zentimeter hoch.

Damit der Roboter den Raketenstart unbeschadet übersteht, sind winzige Löcher mit einem Durchmesser von 34 Mikrometern - Tausendstel Millimetern - im Deckel der Box. Durch diese Löcher entweicht bei der Knallgasreaktion überschüssiges Gas. Das verringert den Explosionsdruck, der den Roboter sonst zerreißen würde. Wichtig sind die Löcher auch beim Einsinken, denn durch sie entweicht restliche Luft, die sich noch in der Box befindet. Wenn die Box ganz untergetaucht ist, sorgt die Oberflächenspannung des Wassers dafür, dass das Knallgas nicht durch die Mikrolöcher entweicht.

Noch landet der Roboter nach seinem Raketenstart mehr oder weniger sanft auf der Erde. Nach einer Weiterentwicklung soll er sich in der Luft halten können. Als Einsatzgebiete schweben den Wissenschaftlern Such- und Rettungsaktionen, biologische Studien sowie Umweltforschung und -überwachung vor: "Beispielsweise könnten wir in Bezug auf die Umweltüberwachung einen Schwarm unserer Roboter verwenden, um die Wasserqualität (z.B. Algenwachstum) in natürlichen Umgebungen zu überwachen", sagt Chen.

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