Technologie: Das Roboter-Insekt mit vier Flügeln

Spannende Geschichte, auf die ich die Tage gestoßen bin. Forscher haben ein Roboter-Insekt entwickelt, welches wie eine Biene oder Fliege in der Luft fliegen kann. Damit das aber klappt, musste man dem Roboter vier Flügel spendieren.

Es war nur eine kurze Meldung auf Twitter (siehe nachfolgende Information), die mein Neugiert geweckt hat.

A tiny four-winged robotic insect flies more like the real thing https://t.co/QdRk844Ld0 pic.twitter.com/CMiJEkb7Jd

— MIT Technology Review (@techreview) 15. Mai 2019

Das Ganze ist ausführlicher in diesem englischsprachigen Beitrag auf MIT Technology Review beschrieben. War eine wirkliche Herausforderung für die Ingenieure.

Zwei oder vier Flügel

In der Natur ist es einfach: Insekten wie Bienen haben zwei Flügel, um damit durch die Luft zu schwirren. Und die Insekten können damit beeindruckende Flugmanöver vollführen. Die Techniker sind bei Robotern längst nicht so weit. Aber es gibt auch Insekten, die vier Flügel haben, und diese so zu agilen Fliegern macht. Die vier Flügel geben den Insekten eine feine Kontrolle über ihre Flugrichtung und ihre Ausrichtung durch Neigungs-, Roll- und Gierverstellung.

In den letzten Jahren haben Aerodynamiker, Ingenieure und Robotiker versucht, den insektenartigen Flug zu kopieren, indem sie winzige Flugroboter bauten. Dabei stießen sie auf ungeahnte Schwierigkeiten. Eine der kleinsten jemals gebauten Flugmaschinen war die RoboBee. Diese wurde von zwei Schlagflügeln angetrieben, die jeweils unabhängig voneinander von ihrem eigenen Stellglied angetrieben wurden. Tatsächlich war RoboBee nur dank der Entwicklung winziger Stellglieder mit einem Gewicht von jeweils nur 25 Milligramm realisierbar.

Leider gab es mit dem Flugroboter es gab ein Problem. Theoretisch hätten die beiden Schlagflügel von RoboBee alle für den kontrollierten Flug notwendigen Kräfte erzeugen können. In der Praxis konnte der Flugroboter aber das Gieren nicht kontrollieren, so dass das Gerät oft unkontrolliert wackelte. Hätte man mit einem verbesserten Design mit vier Schlagflügeln korrigieren können. Das Problem: Die vier Stellglieder waren schlicht zu schwer, damit das Gerät fliegen konnte.

Das Gewichtsproblem

Ein Team um Xiufeng Yang von der University of Southern California in Los Angeles hat jetzt Stellglieder entwickelt, die nur halb so schwer sind wie die Vorgängerversionen. Sie verwendeten ein Aktuatordesign namens Unimorph. Anstelle von zwei Schichten aus piezoelektrischem Material verwendet ein Unimorph einen einzelnen Streifen, der an einer Passivschicht befestigt ist. Durch die wiederholte Kontraktion der piezoelektrischen Schicht biegt sich der Aktuator und treibt einen Flügels an.

Damit konnten Sie einen Roboter mit vier Schlagflügeln mit einer Spannweite von jeweils nur 33 Millimetern bauen. Das Ergebnis ist ein insektenähnliches Fluggerät namens Bee+. Er ist in der Lage, im Flug einem Weg zu folgen und Hindernisse zu umfliegen, und auch wieder zu landen, alles so, wie man das von Insekten kennt.

Auf dieser Webseite ist ein Video zu sehen, welches die Flugmanöver der kleinen Maschine zeigt. Die Maschine hängt an dünnen Drähten, über die die Energieversorgung erfolgt. Videos, wie so etwas aussehen könnte, sind hier und hier abrufbar. Noch nichts vergleichbares mit realen Insekten, aber eine wahnsinnige Ingenieurleistung. Da möchte man gleich nochmal jung sein – und es kommen Erinnerungen an meine Vorlesungen in Feinwerktechnik auf – Mikromechanik war in den 70er Jahren noch weitgehend unbekannt.