Königliche Idee Schmetterling inspiriert zur Revolution in der Robotik

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Der farbenfrohe Monarchfalter hat Forscher an der TU Darmstadt und vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf dazu bewegt, neuartige Flügel für Roboter zu entwickeln.

Monarchfalter sind nach Aussage der Forscher bekannt für ihre herausragende Ausdauer und Anpassungsfähigkeit. Jährlich legen sie auf ihren Wanderungen zwischen Kanada und Mexiko nämlich tausende von Kilometern zurück. Das schaffen sie aufgrund ihrer einzigartigen Flügel, die die Insekten durch eine Kombination aus aktiver Bewegung und passiver Biegung besonders energieeffizient fliegen lassen, wie es dazu weiter heißt. Das wollten die Wissenschaftler kopieren und für die Robotik nutzen. Und es hat geklappt!

Magnetische Folienflügel bewegen sich gezielt

Das Team unter der Leitung von Professor Oliver Gutfleisch (Institut für Materialwissenschaft der TU Darmstadt) und Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) baute nämlich Flügel aus einem flexiblen Kunststoff (circa 0,75 Millimeter dick), in den magnetische Partikel eingebettet wurden. Externe Magnetfelder veranlassen diese Partikel, sich zu bewegen, wodurch sich die künstlichen Flügel biegen und die Bewegungen des Schmetterlingflugs imitieren können. Doch der Entwicklungsprozess war herausfordernd, wie man anmerkt. Denn Mithilfe des 3D-Drucks wurden zunächst zwölf verschiedene Flügeldesigns hergestellt. Einige Designs enthielten Strukturen, die den natürlichen Flügeladern der Monarchfalter nachempfunden waren. Das Ziel war es, mit einer Kombination aus Finite-Elemente-Analysen (FEM) und Experimenten herauszufinden, wie sich diese Muster auf die Beweglichkeit und damit auf die Effizienz der Flügel auswirken. Sie zeigen, dass größere Flügel mit Aderstrukturen besonders anpassungsfähig sowie unempfindlich sind und sich leichter biegen lassen. Die größte Hürde war es demnach, ultradünne, flexible Strukturen additiv zu fertigen, die gleichzeitig aber auch robust genug sind, um den Belastungen standzuhalten. Die potenziellen Einsatzmöglichkeiten der magnetischen Flügel seien vielfältig. Im Umweltbereich könnten damit ausgestattete Roboter etwa zur Überwachung von Bestäuberpopulationen oder für Studien zur Luftqualität genutzt werden. Und weil die Flügel ein kleines und energieeffizientes Design ermöglichen, wären die Roboter ideal dafür geeignet, um zum Beispiel in Katastrophengebiete vorzudringen, wo sie bei der Suche und Rettung von Menschen helfen könnten, wie die Spezialisten ergänzen.

Wandelbare Roboter brauchen keine Elektronik

Der Fokus der Studie lag darauf, dass die magnetische Flügel ohne elektronische Komponenten funktionieren sollten. Der neue Ansatz kann jedoch auch auf andere Robotertypen übertragen werden, für die es wichtig ist, dass sie ihre Gestalt ändern können. So eröffnet die neu entwickelte Flügelart zum Beispiel neue Tore für die Medizin. Denn so leichte Roboter mit präzise steuerbaren Bewegungen könnten im Rahmen der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt werden – etwa für Operationen an empfindlichen Geweben, wie die Forscher glauben. Darüber hinaus könnten die Prinzipien der von der Natur inspirierten Robotik bei der Entwicklung künstlicher Muskeln oder „intelligenter“ Materialien unterstützen, die ihre Form je nach Bedarf verändern können. Doch bis zur Anwendung seien noch weitere Forschungsarbeiten nötig. Denn die derzeitigen Flügel funktionieren bisher nur mit externen Magnetfelder. Aber zukünftige Entwicklungen könnten miniaturisierte Magnetfeldgeneratoren beinhalten, um eine autonome Bewegungen zu erlauben. Das Team möchte außerdem herausfinden, wie Modifikationen im Magnetfeld die komplexe Steuerung der Bewegungen und Flugrouten ermöglichen. Die Ergebnisse wurden jüngst im Journal „Advanced Intelligent Systems“ veröffentlicht.

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