Wenn ein Pfannkuchen träumen könnte, könnte er sich nach Beinen sehnen, damit er auf der Suche nach einem besseren, unzerkauten Leben von Ihrem Frühstücksteller springen kann.
Aber Beine, wie sich herausstellt, sind nicht notwendig, damit etwas so Flaches wie ein Flapjack herumhüpft. Eine Gruppe von Wissenschaftlern hat einen tortillaförmigen Roboter entwickelt, der mehrmals pro Sekunde und mehr als das Siebenfache seiner Körpergröße von einem halben Zentimeter springen kann. Sie berichten, dass der Roboter, der die Größe eines zerquetschten Tennisballs hat und ungefähr so wie eine Büroklammer wiegt, diese Kunststücke flink und ohne Anschein von Füßen vollführt. Ihre Forschung wurde am Dienstag in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Shuguang Li, ein Robotiker in Harvard, der nicht an der Forschung beteiligt war, bezeichnete den neuen Roboter als „eine clevere Idee“ und „einen wichtigen Beitrag zum Feld der Softrobotik“.
Viele terrestrische Roboter, also solche, die eher auf dem Boden als in der Luft oder im Wasser zu Hause sind, bewegen sich durch Rollen oder Gehen. Aber die Fähigkeit zu springen kann einem terrestrischen Roboter helfen, neue Räume zu durchqueren und in unwegsamem Gelände zu navigieren; Manchmal ist es für einen Roboter effizienter, über ein Hindernis zu springen, als es zu umgehen, schrieb Rui Chen, Forscher an der Universität Chongqing in China und Autor der Studie, in einer E-Mail.
Obwohl das Springen einigen Robotern einen Wettbewerbsvorteil verschaffen kann, war die Entwicklung dieser Fähigkeit eine Herausforderung für Robotikforscher. Einige Softroboter, die Energie speichern, können sehr selten einen einzigen beeindruckenden Sprung ausführen. Einige leichte Softroboter, die keine Energie speichern, können sehr häufig herumhüpfen, aber nicht hoch oder weit genug springen, um ein Hindernis wie einen Bordstein erfolgreich zu überwinden.
Der ideale Sprungroboter wäre in der Lage, häufig hoch und weit zu springen. Aber “diese beiden Bestrebungen sind widersprüchlich”, sagte Dr. Chen. Höher oder weiter zu springen erfordert mehr Energie, und häufigeres Springen erfordert, dass Energie über einen kürzeren Zeitraum angesammelt und abgegeben wird – eine große Aufgabe für einen winzigen Roboter.
Als Inspiration suchten die Forscher nach Gallmückenlarven, Maden, die sich auf wundersame Weise über Distanzen schleudern, die 30-mal so lang sind wie ihre stämmigen Körper, die ein Zehntel Zoll lang sind. “Die meisten Kreaturen brauchen Füße zum Springen”, sagte Dr. Chen und fügte hinzu, dass die Larven “durch Beugen ihres Körpers springen können”. Die Made quetscht sich in die Form eines Rings – wobei sie ihren Kopf mit speziellen klebrigen Haaren an den Hintern hält – und drückt Flüssigkeit zu einem Ende ihres Körpers, wodurch sie steif wird. Die Ansammlung von Flüssigkeit baut Druck auf, und das Nachlassen des Drucks lässt die Maden in die Höhe schießen.
Der scheibenförmige Körper des Roboters ähnelt nicht dem einer Gallmückenlarve, aber er springt wie eine. Sein Körper besteht aus zwei mit Elektroden bedruckten Plastikbeuteln; die vordere Tasche ist mit Flüssigkeit gefüllt und die hintere ist mit der gleichen Luftmenge gefüllt. Der Roboter verwendet statische Elektrizität, um den Flüssigkeitsstrom anzutreiben, um Teile seines Körpers zu verformen, was dazu führt, dass sich der Körper verbiegt und eine Kraft mit dem Boden erzeugt, was zu einem Sprung führt. Und der Luftbeutel ahmt die Funktion eines Tierschwanzes nach und hilft dem Roboter, beim Springen und Landen eine stabile Position beizubehalten.
Dieses Design ermöglicht es dem Roboter, das 7,68-fache seiner Körpergröße zu springen und eine kontinuierliche Sprunggeschwindigkeit von sechs Körperlängen pro Sekunde zu erreichen – eine Geschwindigkeit, die Dr. Li als „sehr beeindruckend“ bezeichnete.
So konnte der Roboter schnell und kontinuierlich springen. Aber konnte es Hindernisse überwinden? Um das herauszufinden, haben die Forscher den winzigen Roboter zahlreichen Tests unterzogen, die vielleicht so eine inspirierende Filmmontage verdienen wie Sylvester Stallones Training in „Rocky“.
Der Roboter musste verschiedene Kieshügel, Hänge und Drähte überqueren. Es musste über eine fünf Millimeter hohe runde Stufe springen und einen acht Millimeter hohen leeren Ring überqueren – monumentale Barrieren für einen vier Millimeter großen Roboter mit einem Körper wie ein Pfannkuchen. Der Amateur-Akrobat hat alle diese Tests leicht, wenn nicht sogar elegant, bestanden.
Der Roboter kann auch selbstständig die Richtung ändern, etwa 138 Grad pro Sekunde – die schnellste Drehgeschwindigkeit aller sanft springenden Roboter, sagte Dr. Chen. Ähnlich wie ein Auto kann sich der Roboter durch kontinuierliches Drehen selbst steuern, so Wenqi Hu, ein leitender Wissenschaftler am Max-Planck-Institut in Deutschland, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Der Roboter ist auf externe Energie angewiesen, die durch elektrische Leitungen gespeist wird. Die Forscher würden den Roboter gerne in zukünftigen Iterationen drahtlos machen, aber es wird eine Herausforderung sein, den Roboter klein und leicht zu halten, sagte Dr. Chen.
„Ich frage mich, ob das Hinzufügen einer Bordstromquelle eine Herausforderung für diesen winzigen Softjumper wäre“, sagte Dr. Li.
Die Forscher schlagen vor, Sensoren in den winzigen Roboter zu integrieren, damit dieser Umgebungsbedingungen wie Schadstoffe in Gebäuden erkennen kann. Dr. Li schlug vor, dass der Roboter schließlich schwer zugängliche Bereiche großer Industriemaschinen inspizieren oder, wenn er mit einer kleinen Kamera ausgestattet ist, bei Such- und Rettungsmissionen für eingeschlossene Menschen oder Tiere eingesetzt werden könnten, da er durch kleine Räume in Katastrophengebieten. Und, fügte er hinzu, der Roboter sei winzig und billig. „Der Bau würde wahrscheinlich nur ein paar Dollar kosten“, sagte Dr. Li.
Obwohl der Roboter derzeit auf der Erde beschränkt ist, schlug Dr. Hu vor, dass er zu Hause sein könnte, um einen anderen Planeten zu erkunden. „Diese Art von Aufgabe erfordert ein einfaches, aber robustes Miniaturroboterdesign“, das leicht genug ist, um in neue Welten getragen zu werden, sagte Dr. Hu und fügte hinzu, dass die zum Bau dieses Roboters erforderlichen Materialien in außerirdischen Umgebungen überleben und funktionieren müssten.
Wenn dies zutrifft, könnte der Roboter der Forscher über staubige Felsen und Krater auf dem Mond oder Mars springen und dorthin gehen, wo noch kein Pfannkuchen zuvor gewesen ist.