Ein Team von Wissenschaftlern der University of Pennsylvania hat einen winzigen Roboter entwickelt, der sich durch das Auflösen seines knotenartigen Aufbaus in die Luft katapultiert und über ein Rotorblatt fliegend fortbewegt. Der Roboter kann einen Pflanzensamen enthalten, der dort ausgesät wird, wo der Roboter landet.
Verknotete Fasern gelten landläufig als etwas Passives. Werden jedoch die Elastizität und das Material sorgfältig ausgewählt, dann wird der Knoten selbst zu einem aktiven System, erklärt Shu Yang, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Pennsylvania. Das nutzte das Forschungsteam aus, um einen Roboter zu konstruieren, der aus einer weniger als einen Millimeter dünnen Faser aus Kevlar und einem Flüssigkeitskristall-Elastomer (LCE) besteht, wie sie in der Studie „Programming touch-me-not knot topologies for rapid and diverse leaping and flying motions“ schreiben, die in Science veröffentlicht ist.
„Programmierbares“ Sprungsystem
Die beiden unterschiedlichen Materialien des Roboters erfüllen dabei verschiedene Aufgaben: Der Kevlar-Kern sorgt für die nötige Steifigkeit, das ihn umgebende Elastomer für Flexibilität. Die daraus entstandene, wenige Millimeter lange Verbundfaser wird dann verknotet. In dem System wird dadurch elastische Energie gespeichert. Je nach verwendeter Materialkombination kann sich der Knoten unter Zufuhr von Wärme zwischen 60 und 90 °C früher oder später selbstständig öffnen – etwa durch Sonnenwärme. Denn die LCE-Hülle zieht sich unter Hitze zusammen, sodass sich der Knoten lockert und aufgeht.
Die kinetische Energie wird dann in Sekundenbruchteilen abgegeben und in eine sprungartige Bewegung umgewandelt, die den Roboter etwa zwei Meter hoch in die Luft katapultiert. Die Reaktionszeit und die Stärke der Sprungkraft können die Forscher „programmieren“, indem sie die Materialkombination, die Knotentopologie und die Vorverdrillung der Faser anpassen. Die Art des Knotens bestimmt etwa die ausgeführte Flugbewegung. Ein einfacher Überhandknoten führt zu einer Kippbewegung, ein Achterknoten zu einer Drehung. Mit komplexeren Knotenformen können weitere Bewegungsformen erzeugt werden.
Die Wissenschaftler haben den kleinen Roboter mit einer blattartigen Struktur versehen, die ähnlich wie bei einem Ahornsamen dafür sorgt, dass der Flug stabiler ausfällt und er länger in der Luft bleiben und weiter fliegen kann. Bei der Landung rammt sich die Faser nahezu senkrecht in den Boden und erzeugt dabei einen so hohen Druck, dass dadurch ein mitgeführter Samen vielversprechend ausgesät werden kann.
Der Roboter ist im aktuellen Stadium ein Modellsystem, das die prinzipielle Machbarkeit nachweisen soll. Praxisnahe Versionen müssten aus umweltfreundlichen Komponenten bestehen, sodass sich der Roboter biologisch abbaut. Die Wissenschaftler suchen außerdem nach Wegen, die Aktivierungstemperatur zu senken, um den Roboter auch in Regionen mit geringerer Sonneneinstrahlung nutzen zu können.
(olb)
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