Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

Die Natur hat die Kunst des Übergangs zwischen Welten längst perfektioniert. Insekten wie Wasserläufer und Schwimmkäfer können über die Oberfläche eines Teiches sprinten und dann ein schlammiges Ufer hinaufkrabbeln, ohne dabei ihre Beine oder ihre Fortbewegungsart zu ändern. Sie nutzen dieselben Gliedmaßen, um sich gegen das Wasser abzustützen und sich gegen den Boden abzustoßen, wobei sie sich auf die Physik ihrer Umgebung verlassen, die die schwere Arbeit verrichtet. Für Ingenieure, die versuchten, winzige Maschinen zu bauen, die dasselbe tun können, war dieser biologische Trick ein hartnäckiges Rätsel. Eine Maschine so klein zu bauen, dass sie in eine Hosentasche passt – speziell eine, die weniger als fünf Zentimeter lang ist – ist schon an sich schwierig genug. Eine Maschine mit derselben Größe zu bauen, die sowohl auf trockenem Land als auch auf der Wasseroberfläche schnell und flink bewegt sich, während sie gleichzeitig eine eigene Batterie und ein eigenes Gehirn trägt, schien fast unmöglich. Die Herausforderung liegt darin, dass Land und Wasser sehr unterschiedliche Arten der Bewegung erfordern; was funktioniert, um auf Erde zu laufen, scheitert oft beim Schwimmen und umgekehrt. Normalerweise erfordert die Lösung dieses Problems komplexe Maschinen mit mehreren beweglichen Teilen, die zu schwer und klobig sind, um in einen insektengroßen Rahmen zu passen.

Ein Forschungsteam hat nun eine Lösung entwickelt, die diesen Kompromiss überwindet. Sie haben einen ungebundenen, insektengroßen Amphibienroboter erschaffen, der nur 2,1 Zentimeter lang und lediglich 1,69 Gramm schwer ist. Diese winzige Maschine kann über den Boden sausen und über die Wasseroberfläche gleiten, und das mit bemerkenswerter Geschwindigkeit, während sie gleichzeitig eine eigene Stromquelle und ein drahtloses Steuerungssystem mitführt. Das Geheimnis ihres Erfolgs ist ein einziges, kluges Bewegungsmuster, das in beiden Umgebungen funktioniert. Anstatt verschiedene Beine zum Schwimmen und Laufen zu verwenden, nutzt der Roboter einen Satz von Aktoren, um ein Paar Gliedmaßen anzutreiben, die sowohl als Laufbein als auch als Schwimmflosse fungieren. Durch das Schwingen dieser Gliedmaßen in einem spezifischen, asymmetrischen Rhythmus erzeugt der Roboter Vorwärtsbewegung auf Land und im Wasser, ohne seine Hardware oder seinen Gang ändern zu müssen.

Das Design des Roboters ist vom Schwimmverhalten von Schwimmkäfern inspiriert. Diese Käfer spreizen ihre Beine weit auf, wenn sie sich nach hinten abstoßen, um Wasser zu greifen, und falten sie eng zusammen, wenn sie nach vorne schwingen, um den Widerstand zu verringern. Die Forscher ahmen dieses Verhalten mit einer Schwimmflosse nach, die am Vorderbein des Roboters befestigt ist. Diese Flosse ist mit einem speziellen Scharnier verbunden, das es ihr ermöglicht, in eine Richtung frei zu schwingen, sich aber in die andere Richtung zu blockieren. Wenn der Roboter vibriert, schwingt die Flosse während des Antriebsschlags weit auf, um sich gegen das Wasser abzustützen, was einen starken Vortrieb erzeugt. Beim Rückschlag faltet sich die Flosse zusammen und gleitet mit minimalem Widerstand durch das Wasser. Dies erzeugt einen Netto-Schub, der den Roboter vorwärts treibt. Auf dem Land funktioniert dasselbe Vibrationsmuster anders. Der Körper des Roboters ist leicht geneigt, sodass er, wenn das Bein nach hinten schwingt, hart auf den Boden trifft, um den Roboter vorwärts zu stoßen. Wenn es nach vorne schwingt, hebt es sich leicht an, um Reibung zu vermeiden. Diese einfache, einseitige Bewegung ermöglicht es dem Roboter, unter Verwendung exakt desselben mechanischen Aufbaus zu laufen und zu schwimmen.

Um zu beweisen, dass dieses Konzept in der realen Welt funktioniert, baute das Team einen Prototyp und testete ihn in einer kontrollierten Umgebung. Sie statteten den Roboter mit einer kleinen Lithium-Batterie und einem drahtlosen Steuerungschaltkreis aus, wodurch er völlig autark ist. In Tests auf einer Kunststoffoberfläche erreichte der Roboter eine Höchstgeschwindigkeit von 32,5 Zentimetern pro Sekunde, was etwa der 15,5-fachen seiner eigenen Körperlänge pro Sekunde entspricht. Auf dem Wasser erreichte er 11,3 Zentimeter pro Sekunde, oder 5,4 Körperlängen pro Sekunde. Diese Geschwindigkeiten sind signifikant schneller als alle anderen ungebundenen Roboter dieser Größe, die jemals erreicht wurden. Der Roboter demonstrierte auch eine beeindruckende Wendigkeit, fähig, sich auf dem Boden mit einer Rate von 760 Grad pro Sekunde und auf dem Wasser mit 450 Grad pro Sekunde zu drehen. Er konnte um schwebende Hindernisse navigieren, leichtes Gelege beiseite schieben und sogar eine sanfte Steigung hinaufklettern, um vom Wasser auf das Land und zurück zu gelangen.

Die Forscher verließen sich nicht nur auf Versuch und Irrtum; sie nutzten Computermodelle, um genau zu verstehen, wie sich der Roboter bewegt. Sie fanden heraus, dass die Geschwindigkeit des Roboters stark von der Frequenz seiner Vibrationen abhängt. Wenn die Vibrationsfrequenz mit der Eigenresonanz der Struktur des Roboters übereinstimmt, wird die Bewegung am effizientesten und erzeugt die maximal mögliche Geschwindigkeit. Sie entdeckten auch, dass die Größe der Schwimmflosse und die Steifigkeit ihres Scharniers entscheidende Faktoren waren. Wenn die Flosse zu groß oder das Scharnier zu steif war, konnte sich der Roboter nicht so schnell bewegen. Durch die Feinabstimmung dieser Details optimierten sie das Design, um sicherzustellen, dass es seine Spitzenleistung erbringt. Die Studie bestätigt, dass es möglich ist, eine Maschine zu erschaffen, die sowohl unglaublich klein als auch unglaublich schnell ist, vorausgesetzt, sie nutzt eine Bewegungsstrategie, die die Physik von Luft und Wasser respektiert.

Dieser Erfolg markiert einen bedeutenden Schritt nach vorn im Bereich der Mikrorobotik. Bis jetzt waren die meisten winzigen Roboter, die sich auf Land und Wasser bewegen konnten, entweder zu langsam, zu groß oder sie benötigten ein Kabel zur Stromversorgung. Dieser neue Roboter zeigt, dass ein einziger, einfacher Mechanismus die komplexen Anforderungen zweier verschiedener Welten bewältigen kann. Er öffnet die Tür für zukünftige Maschinen, die Katastrophengebiete erkunden, Überlebende in Überschwemmungsgebieten suchen oder empfindliche Ökosysteme beobachten könnten, ohne diese zu stören. Die Forscher merkten an, dass ihr aktueller Roboter zwar gut auf glatten Oberflächen funktioniert, zukünftige Versionen jedoch in der Lage sein müssen, sich an raueres Gelände wie Sand oder Gras anzupassen. Sie planen außerdem, visuelle Sensoren hinzuzufügen, damit der Roboter ohne menschliche Kontrolle navigieren kann. Für den Moment jedoch steht die Demonstration eines 2,1 Zentimeter langen Roboters, der mit hohen Geschwindigkeiten läuft und schwimmt, als klarer Beweis dafür, dass die Tricks der Natur erfolgreich in das Ingenieurwesen übertragen werden können, um Maschinen zu schaffen, die so agil sind wie die Insekten, die sie inspiriert haben.