Ein Winkel entscheidet: Soft-Roboter springt endlos mit Infrarotlicht

Roboter stellen wir uns meist als Maschinen aus Metall vor, mit Motoren, Akkus und Steuerplatinen. Die Soft Robotics geht einen anderen Weg: Sie baut Systeme aus dehnbaren, verformbaren Materialien, die sich an unebenes Gelände anpassen und ohne starre Bauteile auskommen. Ein Problem blieb bisher ungelöst. Weiche Roboter springen selten mehrfach hintereinander, weil sie nach jedem Sprung von außen zurückgesetzt werden oder eine aufwendige Steuerung brauchen. Ein Team der North Carolina State University stellt in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) nun einen tropfenförmigen Ring vor, der dieses Problem allein mit Licht löst.

Ein Ring aus Flüssigkristall-Elastomer

Der „Ring Leaper“ besteht aus einem Band aus Flüssigkristall-Elastomer in Tropfenform. Am spitzen Ende sitzt ein steifes, V-förmiges Aluminiumteil. Elektronik enthält der Roboter keine, als Energiequelle genügt eine Infrarotlampe. Das Licht erwärmt die Oberfläche des Bandes, das Material zieht sich zusammen und dreht sich dabei. Das starre V hindert den Ring am Wegrollen. Das Band verdrillt sich immer stärker und speichert elastische Energie, ähnlich wie das Gummiband in einem Balsaholz-Flugzeug. Das Material selbst wandelt dabei Licht in Wärme und Wärme in Bewegung.

Der Sprung setzt den Roboter zurück

Erreicht die Verdrillung einen kritischen Wert, schnappt das V nach unten und schlägt auf den Untergrund. Der Schlag schleudert den Ring in die Luft. Im Flug dreht sich das Band wieder auf und nimmt seine ursprüngliche Form an. Damit steht der Roboter für den nächsten Sprung bereit. Speichern, Freisetzen und Neustart wiederholen sich, solange das Infrarotlicht scheint. Jie Yin, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Korrespondenzautor der Studie, sagt: „Er muss zwischen den Sprüngen nicht zurückgesetzt werden. Er setzt sich selbst zurück.“

Ein Winkel entscheidet über die Bewegung

Die Forscher:innen steuern das Verhalten über die Geometrie. Misst der Winkel des V 120 Grad, kriecht der Roboter vorwärts. Bei 90 Grad springt er nach vorn, bei 50 Grad senkrecht nach oben. Die besten Varianten überwinden im Vorwärtssprung mehr als drei Körperlängen und springen senkrecht über 80 Körperhöhen. Ein kleines Gewicht am runden Ende des Tropfens verschiebt den Schwerpunkt und verlängert die Sprünge. Erstautor Fangjie Qi vergleicht das mit einem Schwimmer, der sich beim Startsprung nach vorn lehnt. Auch die Lichtstärke spielt eine Rolle. Zu schwaches Licht löst keine Sprünge aus, zu starkes lässt den Roboter unberechenbar in alle Richtungen hüpfen.

Gras, Sand, Steine und Wasser

In den Tests meisterte der Ring Steigungen, Hindernisse und Übergänge zwischen Wasser und Land. Er sprang über Gras, Sand, Steine und Mulch und bewegte sich auch auf Wasseroberflächen fort. Den Schnappmechanismus und die gesamte Sprungdynamik bildete das Team mit Cosserat-Stabmodellen ab. Anwendungen gibt es bislang keine. Yin nennt Umweltnavigation, Schwarmrobotik und Fortbewegung in unstrukturiertem Gelände als mögliche Felder und spricht von einem grundlegenden Fortschritt. Das Licht liefert die gesamte Energie, Kabel oder Batterien braucht der Ring nicht. Die National Science Foundation der USA förderte die Arbeit.

via NC State University