Roboterrochen mit Kunststoffmuskeln

Prototyp wird mit einer Kombination aus Hydrogel und einem elektroaktiven Material angetrieben
Prototyp eines Roboterrochens, angetrieben mit Muskeln aus flexiblem, dielektrischem Kunststoff
Prototyp eines Roboterrochens, angetrieben mit Muskeln aus flexiblem, dielektrischem Kunststoff
© Li et al., Sci. Adv. 2017; 3:e1602045
Hangzhou (China) - Roboter könnten in naher Zukunft autonom durch Seen und Meere schwimmen. Ihre Aufgaben: effizient Umweltdaten sammeln oder das Verhalten von Fischschwärmen erkunden. Diese Anwendungen im Blick entwickelten chinesische Wissenschaftler einen flexiblen Schwimmroboter nach dem Vorbild eines Rochens. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, erreichte der Prototyp mit flexiblen Flossen eine relativ hohe Geschwindigkeit von mehr als 13 Zentimeter pro Sekunde. Als Antrieb diente ein dielektrischer Kunststoff, der sich unter Hochspannung auf Wunsch verformen ließ.

„Unser Prototyp ist robust und kann mit einer einzigen Akkuladung drei Stunden lang schwimmen“, berichten Tiefeng Li und seine Kollegen von der Zhejiang University in Hangzhou. Den Rumpf ihres knapp zehn Zentimeter langen Schwimmroboters formten die Wissenschaftler aus einem flexiblen Silikongummi. Für den Antrieb verzichteten sie auf einen klassischen Elektromotor und installierten stattdessen zwei flexible Flossen aus einem dielektrischen Elastomer. Zwei durchsichtige Schichten dieses elektroaktiven Materials umschlossen dabei einen mit einem Hydrogel gefüllten Innenraum wie ein Sandwich.

Kurze Hochspannungspulse mit bis zu 10.000 Volt Spannung führten zu einer Verformung der Elastomer-Hydrogel-Flosse. Ohne Stromfluss entspannte sich das Material und nahm wieder seine Ursprungsform an. So konnte der Roboterrochen bis zu fünfmal pro Sekunde kurz mit seinen flexiblen Flügeln schlagen und eine Spitzengeschwindigkeit von bis zu 13,5 Zentimeter pro Sekunde erreichen. Als Stromquelle diente eine mitgeführte Batterie. Dessen Spannung von 3,7 Volt reichte aus, um über eine kompakte Leistungselektronik die kurzen Hochspannungspulse zu erzeugen. Dank der geringen Leitfähigkeit des umgebenden Wassers kam es dennoch zu keinen Kurzschlüssen.

Der Roboterrochen ließ sich über eine Infrarot-Schnittstelle fernsteuern. Zum Manövrieren diente eine kleine Silikon-Heckflosse, deren Position die Forscher über einen Elektromagneten kontrollierten. Mit einer Akkuladung konnte sich der Prototyp etwas länger als drei Stunden fortbewegen. Längere Schwimmzeiten halten die Entwickler mit größeren Modellen für möglich. Doch schon heute soll die Effizienz dieses Systems nach Aussage von Tiefeng Li und Kollegen mit der einer Regenbogenforelle vergleichbar sein.

Videoaufnahmen mit einer kleinen, auf dem Rücken des künstlichen Rochens montierten Kamera belegen, dass solche Roboter prinzipiell für das Sammeln von Bildern und Messdaten in Gewässern geeignet sind. Da sie sich relativ günstig fertigen ließen, könnten auf Expeditionen ganze Schwärme solcher Roboterrochen aus weichem, flexiblem Material eingesetzt werden. Damit ließe sich beispielsweise auch das Verhalten von Fischschwärmen aus direkter Nähe verfolgen.

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