Methan-Motor für Mikroroboter

Ithaka (USA) - Zahlreiche winzige Roboter wurden bereits nach dem Vorbild von Insekten entwickelt. Als Antrieb nutzen sie oft piezoelektrische Module, die sich mit elektrischen Spannungspulsen in Bewegung versetzen lassen. Doch große Kräfte können diese sogenannten Aktuatoren nicht aufbringen. Einen deutlich kräftigeren Antrieb präsentieren nun US-amerikanische Forscher in der Fachzeitschrift „Science“. Er basiert auf einer kleinen Brennkammer, bedeckt mit einer Membran aus einem flexiblen Kunststoff. Diese Membran wölbt sich bei Zündung eines Methan-Sauerstoff-Gemisches sehr schnell und übt dabei relativ große Kräfte von bis zu zehn Newton aus

Cameron Aubin von der Cornell University in Ithaka fertigte erste Prototypen gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen in einem 3D-Drucker. Aus einem schwer entflammbaren Harz entstand so eine nur knapp einen Zentimeter durchmessende Brennkammer. An diese schlossen sie kleine Schläuche an, um ein Gasgemisch aus Methan und Sauerstoff kontrolliert einzublasen. Über einen filigranen Draht leiteten die Forschenden Hochspannungspulse von 800 bis 1200 Volt, um das Gasgemisch in schneller Folge wiederholt zu zünden.

Bei der Zündung dehnte sich die elastische Membran, die die Brennkammer abschloss, innerhalb einer halben Millisekunde aus. Über einen weiteren Schlauch konnten die Verbrennungsgase schnell wieder abgelassen werden, um die Brennkammer erneut mit einem Methan-Sauerstoff-Gemisch füllen zu können. Dieser Prozess ließ sich mühelos zehn- bis hundertmal pro Sekunde wiederholen.

„Um die Effizienz unserer Mikroaktuatoren zu demonstrieren, integrierten wir sie in einen nur etwa zwei Zentimeter großen Roboter“, sagt Aubin. Dieser Roboter verfügte über vier Füße aus jeweils einer Brennkammer mit unten abschließende Membran. Bei Zündung des Gasgemisches dehnten sich die Membranen schlagartig aus und ließen den nur knapp zwei Gramm leichten Roboter bis zu 60 Zentimeter hoch springen. Die Kraft der neuartigen Aktuatoren reichte dabei aus, um eine 36 Gramm schwere Last tragen zu können. Das entsprach dem 22-fachen des Eigengewichts des gesamten Roboters.

„Als nächster Schritt liegt es nahe, den Roboter ohne feste Anschlüsse zu konstruieren“, sagt Aubin. Daher arbeitet er mit seinem Team an einem kleinen Methantank und einer winzigen Hochspannungsquelle, mit der sich das Gasgemisch auch ohne angeschlossene Drähte zünden ließe. Damit hätte dieser neuartige Antrieb das Potenzial, die Kräfte winziger Roboter drastisch steigern zu können.