Ingenieure entwickeln den kleinsten jemals gebauten ferngesteuerten Laufroboter

Ein Team von Ingenieuren an der Northwestern University hat den kleinsten jemals gebauten ferngesteuerten Laufroboter entwickelt, der in Form eines winzigen Krebses besteht.

Die winzigen Krebsroboter sind nur eine halbe Millimeter breit und damit kleiner als eine Fliege. Sie können sich biegen, drehen, laufen, kriechen, wenden und springen. Neben dem winzigen Krebs entwickelten die Forscher auch millimetergroße Roboter, die Käfern, Bockkäfern und Raupen ähneln.

Mikro-große Roboter erreichen

Laut dem Team könnten diese neuen Arten von Robotern uns näher an die Entwicklung von mikro-großen Robotern bringen, die in engen Räumen operieren können.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science Robotics.

John A. Rogers leitete die experimentelle Arbeit. Er ist der Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizinische Technik und Neurochirurgie an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine der Northwestern University. Er ist auch der Direktor des Querrey Simpson Institute for Bioelectronics (QSIB).

“Robotik ist ein spannendes Forschungsgebiet, und die Entwicklung von Mikro-Robotern ist ein unterhaltsames Thema für akademische Erkundungen”, sagte Rogers. “Man könnte sich Mikro-Roboter als Agenten vorstellen, die kleine Strukturen oder Maschinen in der Industrie reparieren oder zusammenbauen oder als chirurgische Assistenten, die verstopfte Arterien freimachen, innere Blutungen stoppen oder Krebstumore eliminieren – all dies in minimalinvasiven Verfahren.”

Yonggang Huang leitete die theoretische Arbeit. Er ist der Jan und Marcia Achenback Professor für Maschinenbau und Umwelttechnik an der McCormick School und ein wichtiger Teil des QSIB.

“Unsere Technologie ermöglicht eine Vielzahl von kontrollierten Bewegungsmodi und kann mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von halber Körperlänge pro Sekunde laufen”, sagte Huang. “Dies ist sehr schwierig zu erreichen, insbesondere bei terrestrischen Robotern dieser Größe.”

Den winzigen Krebs konstruieren

Der Krebs muss sich nicht auf komplexe Hardware, Hydraulik oder Elektrizität wie viele andere Roboter verlassen. Er bezieht seine Energie aus der elastischen Widerstandsfähigkeit seines Körpers. Die Forscher konstruierten den Roboter, indem sie ein Formgedächtnislegierungsmaterial verwendeten, das sich in eine “erinnerte” Form verwandelt, wenn es erhitzt wird. Um den Roboter schnell zu erhitzen, verwendete das Team einen gescannten Laserstrahl und zielte auf verschiedene Stellen des Roboterkörpers. Wenn er abkühlt, kehrt eine dünne Glasbeschichtung die entsprechende Struktur elastisch in ihre deformierte Form zurück.

Durch den Wechsel von einer Phase in eine andere kann der Roboter seine Fortbewegung erzeugen. Durch das Zielen des Lasers in verschiedene Richtungen kann das Team steuern, wo der Roboter läuft. Um von links nach rechts zu laufen, muss das Team einfach von rechts nach links scannen.

“Weil diese Strukturen so winzig sind, ist die Abkühlungsrate sehr schnell”, erklärte Rogers. “Tatsächlich ermöglicht die Verringerung der Größe dieser Roboter, dass sie schneller laufen können.”

Um einen so winzigen Zustand für den Roboter zu erreichen, fertigten das Team zunächst Vorläufer der laufenden Krebsstrukturen in flachen, planaren Geometrien. Sie banden die Vorläufer dann auf einem leicht gestreckten Gummisubstrat auf. Durch das Entspannen des Substrats tritt ein kontrollierter Knickprozess auf und verursacht, dass der Krebs in definierte dreidimensionale Formen “aufpoppt”.

“Mit diesen Montagetechniken und Materialkonzepten können wir laufende Roboter mit fast jeder Größe oder 3D-Form bauen”, sagte Rogers. “Aber die Studenten fühlten sich von den seitwärtskriechenden Bewegungen der winzigen Krebse inspiriert und amüsiert. Es war ein kreativer Einfall.”