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Roboterbiene hebt ab

Für Drohnen und andere Fluggeräte gilt: Je kleiner, desto energiehungriger sind sie. Insektengroße Flugroboter können daher ohne Kabel nicht lange in der Luft bleiben. Jetzt haben US-Forscher einen Miniatur-Flugroboter konstruiert, der ohne das lästige Kabel auskommt. Bauteile und Flugtechnik sind so energiesparend, dass die Roboterbiene nur den Strom aus ihren ultraleichten Solarzellen benötigt. Der rund 250 Milligramm leichte Flugroboter ist das bisher leichteste kabellose Flugvehikel, wie die Wissenschaftler berichten. Noch benötigt der Prototyp allerdings sehr viel Licht und auch die Steuerung ist noch nicht vollständig. Dennoch sehen die Forscher in ihrer „RoboBee“ eine zukunftsweisende Entwicklung.

Der Flug der Insekten ist eine Meisterleistung der Natur. Denn Fliegen, Libellen und selbst die pummeligen Hummeln müssen bei ihrem Flug durch die Lüfte enorme physikalische Hürden überwinden. Bei ihrer geringen Größe kommt unter anderem der Luftwiderstand stärker zum Tragen und es ist schwerer, genügend Auftrieb zu erzeugen. Als Folge benötigen die Miniflieger im Verhältnis deutlich mehr Energie für ihren Flug als größere Lebewesen. Ähnliches gilt auch für technische Fluggeräte: Schon normalgroße Freizeitdrohnen
können mit einer Akkuladung nur begrenzte Zeit in der Luft bleiben. Werden die Fluggeräte jedoch kleiner und leichter, gibt es kaum mehr Akkus, die leicht genug sind, um von diesen Minidrohnen getragen werden zu können. Die bisher kleinsten Quadrocopter wiegen rund zehn Gramm und haben eine Flügelspannweite von rund fünf Zentimetern, wie Noah Jafferis von der Harvard University und sein Team berichten.

Klein und leicht wie ein Insekt

Will man insektengroße Flugroboter entwickeln, muss man daher eine Lösung für den Energiehunger der Vehikel finden. „Bei Massen von weniger als 500 Milligramm und Flügelspannweiten von weniger als fünf Zentimetern wird der Energiebedarf zu einem unüberwindlichen Hindernis für den kabellosen Flug“, erklären die Forscher. „Solche Vehikel müssen daher bislang über Kabel mit einer externen Stromversorgung verbunden werden.“ Nun jedoch haben Jafferis und sein Team einen Flugroboter konstruiert, der dieses Hindernis überwindet. Ihr „RoboBee X-Wing“ getauftes Minivehikel wiegt gerade einmal 256 Milligramm und hat eine Flügelspannweite von 3,5 Zentimetern. Es ist damit kaum größer und schwerer als ein größeres Insekt. Für den Auftrieb sorgen vier Flügel aus einer dünnen, transparenten Folie. Nachdem ein Vorgängermodell mit zwei Flügeln sich als nicht sonderlich effektiv erwies, haben die Forscher auf vier Flügel aufgestockt.

(Video: Nature)

Der Clou dabei: Die Roboterbiene ist kein Minihubschrauber mit normalen Rotoren, sondern sie schlägt mit ihren Flügeln wie ein Insekt. Diese Flugtechnik macht das Minivehikel leiser, wendiger und effizienter als klassische Rotor-Flugroboter. Als Folge benötigt die RoboBee nur rund 120 Milliwatt, um durch die Luft zu fliegen oder auf der Stelle zu schweben, wie die Forscher berichten. „Der Wechsel von zwei auf vier Flügel, zusammen mit weniger sichtbaren Veränderungen am Aktuator und der Übersetzung haben das Vehikel effizienter gemacht, ihm mehr Auftrieb verliehen und es uns erlaubt, alle nötigen Bauteile zu integrieren, ohne dass wir mehr Strom benötigen“, erklärt Jafferis.

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Licht als Energiequelle

Als Energiequelle nutzt die Roboterbiene keinen Akku, sondern ultradünne, leichte Solarzellen. Diese sitzen wie ein winziges Sonnendach rund drei Zentimeter oberhalb der Flügel. Die von diesen Photovoltaikzellen erzeugte 4,8-Volt-Spannung wird im Rumpf der Roboterbiene auf 200 Volt und 170 Hertz transformiert, wie die Forscher berichten: „Dies ist nötig, um die Aktuatoren anzutreiben.“ Mit dieser Technik ausgerüstet, produziert der Flugroboter selbst genügend Strom, um ohne Kabel durch die Luft zu fliegen. Die RoboBee kann dabei sogar noch rund 70 Milligramm Nutzlast transportieren. „Das System gleicht damit der Effizienz von ähnlich großen Insekten wie Bienen“, konstatieren Jafferis und sein Team. „Dieses insektengroße Flugvehikel ist das bisher leichteste, das ohne Kabel anhaltend in der Luft bleiben kann.“

Noch ist der Prototyp der RoboBee nicht perfekt: Sie benötigt zum Abheben und Fliegen starkes Licht von rund drei Kilowatt pro Quadratmeter – das entspricht etwa dem Dreifachen der normalen Sonneneinstrahlung. Für Flüge im Freiland sind ihre Solarzellen daher noch nicht leistungsfähig genug. Die Forscher arbeiten aber bereits daran, Folgeversionen mit einem noch geringeren Energiebedarf zu entwickeln, die dann auch draußen fliegen sollen. Nach Ansicht von Jafferis und seinem Team eröffnet die Technologie ihrer RoboBee neue Möglichkeiten für Flugroboter, aber auch andere technische Anwendungen: „Über solche Roboter hinaus könnten die zugrundeliegenden Technologien auch für tragbare Sensoren, chirurgische Instrumente oder haptische Kommunikationsgeräte verwendet werden um nur einige Beispiele zu nennen“, sagt Jafferis‘ Kollege Robert Wood.

Quelle: Noah Jafferis (Harvard University, Cambridge) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1322-0

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