Die Natur stand Pate: Forscher haben einen Soft-Roboter entwickelt, der sich mittels eines innovativen Systems künstlicher Muskeln geschmeidig durchs Wasser schlängeln kann. Das System ist dabei lautlos, energiesparend und kann fast ganz durchsichtig gestaltet werden. Die Entwicklung könnte eines Tages zu raffinierten Techno-Wesen führen, die Unterwasser-Ökosysteme erforschen, ohne dabei Lebewesen zu stören oder anzuecken.
Starr, massiv und durch surrende Propeller angetrieben – Unterwasserfahrzeuge zur Untersuchung aquatischen Lebens wirken immer noch wie kleine U-Boote. Dadurch eignen sie sich nur schlecht als Spione in der Unterwasserwelt: Vor den „technischen Ungetümen“ nehmen viele scheue Wesen Reißaus oder sie zeigen kein natürliches Verhalten mehr. Außerdem können die klobigen Sonden in viele Bereiche nur schlecht vordringen oder drohen bei Erkundungsfahrten die filigranen Unterwasserstrukturen zu beschädigen. Am besten wären Unterwasserfahrzeuge, die Merkmale wie die Wasserwesen selbst besitzen. Genau das versuchen die Forscher um Michael Tolley von der University of California in San Diego mit ihrer Arbeit zu erreichen.
Knifflig: Aquatische Softrobotik
Möglich scheint dies mit Konzepten der sogenannten Soft-Robotik. In den vergangenen Jahren haben bereits einige Forschergruppen Roboter entwickelt, die nicht durch Motoren oder Räder angetrieben werden, sondern durch die Kontraktion künstlicher Muskeln. Diese Funktion übernehmen bei einigen dieser Systemen sogenannte dielektrische Elastomer-Aktoren. Das Prinzip: Ein elastischer Kunststoff sitzt zwischen zwei Elektroden. Werden sie unter Spannung gesetzt, ziehen sie sich gegenseitig an und verformen dadurch das Elastomer. Auf diese Weise wird elektrische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt, die sich nutzen lässt – dielektrische Elastomer-Aktoren können dadurch Funktion von Muskeln imitieren.
Im Fall von aquatischen Soft-Robotern hat sich der Einsatz dieser sehr effektiven Art von künstlichen Muskeln allerdings bisher als schwierig herausgestellt. Im Wasser ist es knifflig, die Elektroden voneinander zu isolieren und vor allem gab es in puncto Geschmeidigkeit Optimierungsbedarf: Bisherige dielektrische Elastomer-Aktoren sind vergleichsweise steife Strukturen. Für ihr neues System haben die Forscher nun besonders geschmeidige Versionen entwickelt. “Unser Ziel ist ein super-weicher Soft-Roboter für die Unterwasserforschung”, betont Tolley.
Wie er und seine Kollegen berichten, ist die Schlüsselinnovation ihres Konzepts die gezielte Nutzung des Salzwassers, in dem der Roboter schwimmt: Es fungiert als eine der Elektroden des Systems. Als Gegen-Elektroden wirken Flüssigkeitstaschen in dem Robo-Aal. Wird leichte Spannung angelegt, biegen sich diese Einheiten leicht. Werden sie dann in einer bestimmten Reihenfolge aktiviert, vollführt das gesamte Gebilde eine schlängelnde Bewegung, die für Vorschub sorgt. Die nötigen Spannungen sind gering und auf das Objekt beschränkt, so dass sie die Unterwasserwesen kaum stören können, sagen die Wissenschaftler.
Lautlos, unauffällig und flexibel
Um das Ziel der Arbeit zu verdeutlichen, haben die Forscher ihren Robo-Aal bereits mit Quallen, Korallen und Fischen in einem Aquarium der Scripps Institution of Oceanography schwimmen lassen. Der Prototyp ihres Robo-Aals erreichte dabei eine Geschwindigkeit von etwa zwei Millimetern pro Sekunde. Dazu benötigte er sehr wenig Energie, betonen die Forscher. Bisher wird das etwa 30 Zentimeter lange Gebilde noch über Kabel von einer externen Einheit aus gesteuert. Ein voll ausgereiftes Modell soll sich dann allerdings frei bewegen können und über einen „Kopf“ mit Sensortechnik verfügen.
Den Forschern zufolge ist ein weiterer Vorteil ihres Systems die Transparenz der eingesetzten Materialien. Einmal ausgereift, könnte sich ein Robo-Aal dadurch fast unsichtbar durch die Unterwasserwelt schlängeln. Bei Bedarf können seine Flüssigkeitstaschen aber auch mit Farbstoffen versehen werden. Dies könnten Fluoreszenzfarbstoffe sein, die nur bei spezieller Aktivierung erkennbar sind, damit sich der Robo-Aal orten lässt.
Wie Tolley und seine Kollegen betonen, haben sie mit ihrem Prototypen nun erst einmal gezeigt, dass ihr Konzept prinzipiell funktioniert. Nun werden sie sich der Optimierung und Ausstattung widmen: Der Robo-Aal soll schneller werden und ab- und auftauchen können. Anschließend solle es dann an das Design eines „schlauen“ Köpfchens gehen.
Quellen::University of California San Diego, Science Robotics doi: 10.1126/scirobotics.aat1893
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