Neu entwickelte, insekten-große Drohnen, die Kollisionen standhalten

Nach vielen vorherigen Versuchen auf diesem Gebiet haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) es geschafft, die Agilität von Insekten in winzige fliegende Roboter zu implementieren. Wie bei vielen Beispielen von Robotertechnologie suchte das Team nach Inspiration in der Natur. Insekten sind extrem akrobatisch und widerstandsfähig gegen Kollisionen im Flug und können effizient wechselnde Bedingungen wie Windböen und Hindernisse navigieren.

Professor Kevin Yufeng Chen ist der Erbauer des Systems. Er ist Mitglied der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik und des Forschungslaboratoriums für Elektronik.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift IEEE Transactions on Robotics veröffentlicht. Co-Autoren waren Zhiijian, MIT-PhD-Student; Siyi Xu, Harvard-University-PhD-Student; und Pakpong Chiraattananon, Roboter-Experte der City University of Hong Kong.

Luftroboter, angetrieben von weichen Aktuatoren

Die Luftroboter verlassen sich auf eine neue Klasse von weichen Aktuatoren, die es ihnen ermöglichen, verschiedene physikalische Herausforderungen im realen Flug zu überwinden. Laut Chen könnten die Roboter eventually von Menschen verwendet werden, um Pflanzen zu bestäuben oder Maschinen in kleinen Räumen zu inspizieren.

Aktuelle Drohnen erfordern offene Räume aufgrund ihrer Unfähigkeit, in begrenzten Räumen zu operieren, größtenteils weil sie Kollisionen nicht bewältigen können.

“Wenn wir uns die meisten Drohnen heute ansehen, sind sie normalerweise ziemlich groß”, sagt Chen. “Die meisten ihrer Anwendungen umfassen das Fliegen im Freien. Die Frage ist: Kann man insekten-große Roboter erstellen, die sich in sehr komplexen, überfüllten Räumen bewegen können?”

Laut Chen “ist die Herausforderung, kleine Luftroboter zu bauen, enorm”.

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Alternativen zu verkleinerten Motoren

Eine der Hauptbeschränkungen von größeren Drohnen ist, dass sie Motoren benötigen, die an Effizienz verlieren, wenn sie verkleinert werden, was der Grund ist, warum Chen sagt, dass es Alternativen geben muss.

Die Hauptalternative bis zu diesem Punkt war ein kleiner und starrer Aktuator, der aus piezoelektrischen Keramikmaterialien hergestellt wurde. Diese Materialien waren verantwortlich für die erste Generation von winzigen, fliegenden Robotern. Allerdings sind sie zerbrechlich, was es den Robotern schwer macht, Kollisionen zu überstehen.

Chen verließ sich auf weiche Aktuatoren, um einen zuverlässigeren winzigen Roboter zu entwickeln, und im Gegensatz zu harten Aktuatoren bestehen sie aus dünnen Gummizylindern, die mit Kohlennanoröhren beschichtet sind. Durch den Prozess der wiederholten Verlängerung und Kontraktion, der durch erzeugte elektrostatische Kräfte hervorgerufen wird, können die Flügel der Drohne schnell schlagen.

Die neuen Aktuatoren können 500 Mal pro Sekunde flattern, ähnlich wie ein Insekt.

“Man kann es treffen, wenn es fliegt, und es kann sich erholen”, sagt Chen. “Es kann auch aggressive Manöver wie Saltos in der Luft ausführen.”

Die insekten-ähnliche Drohne wiegt nur 0,6 Gramm, was nahezu dem Gewicht eines großen Hummels entspricht.

“Wenn man lernen möchte, wie Insekten fliegen, ist es sehr aufschlussreich, ein Modell-Roboter im Maßstab zu bauen”, sagt Chen. “Man kann ein paar Dinge stören und sehen, wie es die Kinematik oder wie die Flüssigkeitskräfte beeinflusst. Das hilft einem, zu verstehen, wie diese Dinge fliegen.”

Chen hofft, dass die Roboter in verschiedenen Branchen eingesetzt werden können, wie z.B. in der Landwirtschaft, und potenzielle Anwendungen umfassen Pflanzenmanagement und Such- und Rettungsmissionen.

“All diese Dinge können für bestehende große Roboter sehr herausfordernd sein”, sagt Chen.