Video: Yin Lab@NCSU
Wie im Schwimmstil „Schmetterling“ sind sie unterwegs: Forscher haben durch ein raffiniertes Antriebskonzept die bisher schnellsten aquatischen Softroboter entwickelt. Die auch vom Rochen inspirierten “Butterfly Bots” werden durch gespannte Elemente angetrieben, die durch Druckveränderung kleiner Luftsäcke in eine andere Stellung schnappen und dadurch für Vortrieb sorgen. Dadurch erreichen die Roboter eine beachtliche Geschwindigkeit von knapp vier Körperlängen pro Sekunde – bei wenig Energieverbrauch.
Herkömmliche Unterwasserfahrzeuge sind starr, massiv und werden durch surrende Propeller angetrieben. Tiere sind hingegen geschmeidig in dem wässrigen Medium unterwegs: Weiche Körperteile wie Flossen oder Flügelstrukturen bei Rochen sorgen für einen gleitenden Vortrieb bei wenig Energieverbrauch. Diese Naturpatente dienen Forschern bereits seit einiger Zeit als Vorbilder. Sie entwickeln sogenannte Softroboter, die aus weichen Bauelementen bestehen und Fortbewegungskonzepte besitzen, die sich an denen der Fische, Quallen oder Rochen orientieren. Gegenüber herkömmlichen Systemen können sie durch eine hohe Energieeffizienz punkten und zudem eignen sie sich für spezielle Einsatzmöglichkeiten – etwa als natürlich wirkende und biegsame Kundschafter in der Unterwasserwelt.
Doch im Vergleich zu ihren natürlichen Vorbildern lassen viele der Entwicklungen in der aquatischen Softrobotik noch zu wünschen übrig. “Bisher waren schwimmende Softroboter nicht in der Lage, schneller als eine Körperlänge pro Sekunde zu schwimmen. Meerestiere – wie Mantarochen – können sich hingegen viel schneller fortbewegen”, sagt Senior-Autor Jie Yin von der North Carolina State University in Raleigh. Deshalb haben er und sein Team nun ein Konzept entwickelt, das aquatischen Softrobotern buchstäblich auf die Sprünge helfen soll.
Bistabiler Flügelzustand
Ihre Konstruktionen beziehen Schwimmkraft aus flügelartigen Strukturen, die einen gespannten, bistabilen Zustand aufweisen. Das heißt, sie können schon durch eine geringe Kraftzufuhr von einer in eine andere Stellung springen. Der Flügel ist dabei vergleichbar mit einer Haarspange: Diese Gebilde sind so lange stabil, bis man eine bestimmte Energiemenge aufbringt, indem man sie durch Fingerdruck leicht verbiegt. Wenn die Energiemenge einen kritischen Punkt überschreitet, schnappt die Haarklammer dann in ihre zweite stabile Form um. Bei den Butterfly Bots werden die von der Haarspange inspirierten bistabilen Flügel aus einem Rahmen aus flexiblen Polyester-Streifen gebildet, der von einer Kunststoffmembran überzogen ist. Die Streifen sind an ihren Enden in einer Weise verbunden, dass ein gekrümmter, bistabiler Spannungszustand des Flügels entsteht.
