Mit einer effizienteren Methode zur künstlichen Bestäubung könnten Landwirte künftig Obst und Gemüse in mehrstöckigen Lagerhäusern anbauen, wodurch die Erträge gesteigert und gleichzeitig einige der schädlichen Auswirkungen der Landwirtschaft auf die Umwelt abgemildert werden.
Um diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen, entwickeln MIT-Forscher Roboterinsekten, die eines Tages aus mechanischen Bienenstöcken ausschwärmen könnten, um schnell eine präzise Bestäubung durchzuführen. Allerdings sind selbst die besten Roboter in Käfergröße natürlichen Bestäubern wie Bienen in puncto Ausdauer, Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit nicht gewachsen.
Inspiriert von der Anatomie dieser natürlichen Bestäuber haben die Forscher nun ihr Design überarbeitet, um winzige Flugroboter herzustellen, die weitaus agiler und langlebiger sind als frühere Versionen.
Die neuen Bots können etwa 1.000 Sekunden lang schweben, was mehr als 100 Mal länger ist als bisher gezeigt. Das Roboter-Insekt, das weniger wiegt als eine Büroklammer, kann deutlich schneller fliegen als vergleichbare Bots und dabei akrobatische Manöver wie doppelte Luftsprünge ausführen.
Der überarbeitete Roboter soll die Flugpräzision und Agilität steigern und gleichzeitig die mechanische Belastung seiner künstlichen Flügelbiegungen minimieren, was schnellere Manöver, erhöhte Ausdauer und eine längere Lebensdauer ermöglicht.
Das neue Design bietet außerdem genügend Freiraum, damit der Roboter winzige Batterien oder Sensoren transportieren kann, die es ihm ermöglichen könnten, außerhalb des Labors selbstständig zu fliegen.
„Die Flugleistung, die wir in dieser Arbeit demonstriert haben, ist wahrscheinlich länger als die gesamte Flugleistung, die unser Feld mit diesen Roboterinsekten erreichen konnte. Mit der verbesserten Lebensdauer und Präzision dieses Roboters kommen wir einigen sehr spannenden Anwendungen näher.“ , wie unterstützte Bestäubung“, sagt Kevin Chen, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik (EECS), Leiter des Labors für Soft- und Mikrorobotik im Research Laboratory of Electronics (RLE) und leitender Autor einer Open-Access-Artikel zum neuen Design.
Chen wird bei dem Artikel von den Co-Hauptautoren Suhan Kim und Yi-Hsuan Hsiao unterstützt, die Doktoranden der EECS sind; sowie der EECS-Doktorand Zhijian Ren und der Sommergaststudent Jiashu Huang. Die Forschung erscheint heute in Wissenschaftsrobotik.
Leistungssteigerung
Frühere Versionen des Roboterinsekts bestanden aus vier identischen Einheiten mit jeweils zwei Flügeln, die zu einem rechteckigen Gerät von der Größe einer Mikrokassette zusammengefasst waren.
„Aber es gibt kein Insekt, das acht Flügel hat. In unserem alten Design war die Leistung jeder einzelnen Einheit immer besser als die des zusammengebauten Roboters“, sagt Chen.
Dieser Leistungsabfall wurde teilweise durch die Anordnung der Flügel verursacht, die beim Schlagen Luft ineinander blästen und so die Auftriebskräfte verringerten, die sie erzeugen konnten.
Das neue Design zerhackt den Roboter in zwei Hälften. Jede der vier identischen Einheiten verfügt nun über einen Schlagflügel, der von der Mitte des Roboters weg zeigt, wodurch die Flügel stabilisiert und ihre Auftriebskräfte erhöht werden. Mit halb so vielen Flügeln schafft dieses Design außerdem Platz, damit der Roboter Elektronik transportieren kann.
Darüber hinaus entwickelten die Forscher komplexere Getriebe, die die Flügel mit den Aktoren oder künstlichen Muskeln verbinden, die sie schlagen. Diese langlebigen Getriebe, die die Konstruktion längerer Flügelscharniere erforderten, reduzieren die mechanische Belastung, die die Lebensdauer früherer Versionen einschränkte.
„Im Vergleich zum alten Roboter können wir jetzt ein dreimal größeres Steuerdrehmoment erzeugen als zuvor, weshalb wir sehr anspruchsvolle und sehr genaue Wegfindungsflüge durchführen können“, sagt Chen.
Doch trotz dieser Designinnovationen besteht immer noch eine Lücke zwischen den besten Roboterinsekten und dem Original. Eine Biene hat beispielsweise nur zwei Flügel, kann aber dennoch schnelle und sehr kontrollierte Bewegungen ausführen.
„Die Flügel der Bienen werden durch einen sehr hochentwickelten Muskelsatz genau gesteuert. Dieses Maß an Feinabstimmung ist etwas, das uns wirklich fasziniert, aber wir konnten es noch nicht nachbilden“, sagt er.
Weniger Belastung, mehr Kraft
Die Bewegung der Flügel des Roboters wird durch künstliche Muskeln angetrieben. Diese winzigen, weichen Aktuatoren bestehen aus Elastomerschichten, die zwischen zwei sehr dünnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden eingelegt und dann zu einem weichen Zylinder gerollt werden. Die Aktuatoren werden schnell komprimiert und gedehnt und erzeugen so eine mechanische Kraft, die die Flügel schlägt.
Wenn bei früheren Konstruktionen die Bewegungen des Aktuators die für den Flug erforderlichen extrem hohen Frequenzen erreichen, beginnen die Geräte oft zu verbiegen. Das verringert die Leistung und Effizienz des Roboters. Die neuen Getriebe hemmen diese Biege-Knick-Bewegung, wodurch die künstlichen Muskeln weniger belastet werden und mehr Kraft für den Flügelschlag aufbringen können.
Ein weiteres neues Design beinhaltet ein langes Flügelscharnier, das die Torsionsbelastung während der Schlagflügelbewegung reduziert. Die Herstellung des Scharniers, das etwa zwei Zentimeter lang, aber nur 200 Mikrometer im Durchmesser ist, gehörte zu ihren größten Herausforderungen.
„Wenn während des Herstellungsprozesses auch nur ein kleines Ausrichtungsproblem auftritt, wird das Flügelscharnier schräg statt rechteckig sein, was sich auf die Flügelkinematik auswirkt“, sagt Chen.
Nach vielen Versuchen perfektionierten die Forscher einen mehrstufigen Laserschneidprozess, der es ihnen ermöglichte, jedes Flügelscharnier präzise herzustellen.
Wenn alle vier Einheiten vorhanden sind, kann das neue Roboterinsekt mehr als 1.000 Sekunden lang schweben, was fast 17 Minuten entspricht, ohne dass die Flugpräzision nachlässt.
„Als mein Schüler Nemo diesen Flug durchführte, sagte er, es seien die langsamsten 1.000 Sekunden gewesen, die er in seinem ganzen Leben verbracht habe. Das Experiment war äußerst nervenaufreibend“, sagt Chen.
Der neue Roboter erreichte außerdem eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 35 Zentimetern pro Sekunde, wie die schnellsten Flugforscher berichten, während er Körperrollen und Doppelüberschläge ausführte. Es kann sogar eine Flugbahn genau verfolgen, die MIT bedeutet.
„Letztendlich haben wir gezeigt, dass der Flug 100-mal länger ist als jeder andere auf diesem Gebiet. Das ist also ein äußerst aufregendes Ergebnis“, sagt er.
Von hier aus wollen Chen und seine Schüler sehen, wie weit sie dieses neue Design vorantreiben können, mit dem Ziel, eine Flugdauer von mehr als 10.000 Sekunden zu erreichen.
Außerdem wollen sie die Präzision der Roboter verbessern, damit sie in der Mitte einer Blume landen und starten können. Langfristig hoffen die Forscher, winzige Batterien und Sensoren in die Flugroboter einzubauen, damit diese außerhalb des Labors fliegen und navigieren können.
„Diese neue Roboterplattform ist ein wichtiges Ergebnis unserer Gruppe und führt in viele spannende Richtungen. Beispielsweise wird die Integration von Sensoren, Batterien und Rechenfunktionen in diesen Roboter in den nächsten drei bis fünf Jahren ein zentraler Schwerpunkt sein“, sagt Chen.
Diese Forschung wird teilweise von der US National Science Foundation und einem Mathworks-Stipendium finanziert.
