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

De natuur heeft lang de kunst beheerst om tussen werelden te bewegen. Insecten zoals waterschaapjes en wieltjeskevers kunnen over het oppervlak van een vijver rennen en vervolgens een modderige oever op kruipen, allemaal zonder hun poten of hun manier van bewegen te veranderen. Ze gebruiken dezelfde ledematen om tegen water af te zetten en om tegen aarde af te zetten, waarbij ze vertrouwen op de fysica van hun omgeving om het zware werk te verrichten. Voor ingenieurs die proberen kleine machines te bouwen die hetzelfde kunnen doen, is deze biologische truc een hardneggig puzzelstuk geweest. Het creëren van een robot die klein genoeg is om in een broekzak te passen — specifiek één die korter is dan vijf centimeter — is op zichzelf al moeilijk genoeg. Dat diezelfde machine ook nog snel en behendig op zowel droog land als op het wateroppervlak kan bewegen, terwijl hij zijn eigen batterij en brein met zich meedraagt, leek bijna onmogelijk. De uitdaging ligt in het feit dat land en water zeer verschillende soorten beweging vereisen; wat werkt om op aarde te rennen, werkt vaak niet om te zwemmen, en andersom. Meestal vereist het oplossen hiervan complexe machines met meerdere sets bewegende onderdelen, die te zwaar en te lomp zijn om in een insectengrootte frame te passen.

Een team onderzoekers heeft nu een oplossing gebouwd die deze afweging tart. Ze hebben een onafhankelijke, insectengrote amfibische robot gemaakt die slechts 2,1 centimeter lang is en slechts 1,69 gram weegt. Deze piepkleine machine kan met opmerkelijke snelheid over de grond zoeven en over het wateroppervlak glijden, terwijl hij zijn eigen krachtbron en draadloos controlesysteem met zich meedraagt. Het geheim van zijn succes is één enkel, slim bewegingspatroon dat in beide omgevingen werkt. In plaats van verschillende poten te gebruiken voor zwemmen en rennen, gebruikt de robot één set actuatoren om een paar ledematen aan te drijven die zowel een renpoot als een zwempaddel fungeren. Door deze ledematen in een specifiek, asymmetrisch ritme te laten vibreren, genereert de robot voorwaartse beweging op land en in het water zonder dat hij zijn hardware of zijn gang met te veranderen heeft.

Het ontwerp van de robot put inspiratie uit de manier waarop wieltjeskevers zwemmen. Deze kevers hebben poten die breed uitstaan wanneer ze achteruit duwen om water te grijpen, maar die strak worden opgevouwen wanneer ze naar voren zwaaien om de weerstand te verminderen. De onderzoekers imiteerden dit gedrag met een zwempaddel die aan het voorste been van de robot is bevestigd. Deze paddel is verbonden door een speciale scharnier dat ervoor zorgt dat hij vrij kan zwaaien in de ene richting, maar in de andere richting op zijn plaats blokkeert. Wanneer de robot vibreert, zwaait de paddel wijd uit tijdens de krachtslag om tegen het water te duwen, wat een sterke voorwaartse stuwkracht creëert. Tijdens de terugslag klapt de paddel in, waardoor hij met minimale weerstand door het water snijdt. Dit creëert een netto duw die de robot vooruit stuwt. Op land werkt dezelfde trillingspatroon anders. Het lichaam van de robot is licht gekanteld, zodat wanneer het been naar achteren zwaait, het de grond hard raakt om de robot vooruit te duwen. Wanneer het naar voren zwaait, tilt het iets op in de lucht, waardoor wrijving wordt vermeden. Deze eenvoudige, eenrichtingsbeweging stelt de robot in staat om te rennen en te zwemmen met exact dezelfde mechanische opstelling.

Om te bewijzen dat dit concept in de echte wereld werkt, bouwde het team een prototype en testte het in een gecontroleerde omgeving. Ze rustten de robot uit met een kleine lithiumbatterij en een draadloos controlesysteem, waardoor hij volledig zelfvoorzienend is. In tests op een kunststof oppervlak bereikte de robot een topsnelheid van 32,5 centimeter per seconde, wat ongeveer 15,5 keer zijn eigen lichaamslengte per seconde is. Op het water bereikte hij 11,3 centimeter per seconde, oftewel 5,4 lichaamslengtes per seconde. Deze snelheden zijn aanzienlijk hoger dan welke onafhankelijke robot van deze grootte ooit heeft weten te bereiken. De robot demonstreerde ook indrukwekkende wendbaarheid, in staat om op de grond te draaien met een snelheid van 760 graden per seconde en op het water met 450 graden per seconde. Hij kon om drijvende obstakels heen navigeren, licht afval opzij duwen en zelfs een flauwe helling beklimmen om van het water naar het land en weer terug te bewegen.

De onderzoekers vertrouwden niet alleen op trial-and-error; ze gebruikten computermodellen om precies te begrijpen hoe de robot bewoog. Ze ontdekten dat de snelheid van de robot sterk afhangt van de frequentie van de trillingen. Wanneer de trillingsfrequentie overeenkomt met de natuurlijke resonantie van de structuur van de robot, wordt de beweging het meest efficiënt en wordt de maximale snelheid gegenereerd. Ze ontdekten ook dat de grootte van de zwempaddel en de stijfheid van het scharnier cruciale factoren waren. Als de paddel te groot of het scharnier te stijf was, kon de robot niet zo snel bewegen. Door deze details fijn af te stemmen, optimaliseerden ze het ontwerp om ervoor te zorgen dat het op zijn piek presteerde. De studie bevestigt dat het mogelijk is om een machine te maken die zowel ongelooflijk klein als ongelooflijk snel is, mits deze een bewegingsstrategie gebruikt die de fysica van zowel lucht als water respecteert.

Deze prestatie markeert een belangrijke stap voorwaarts in het vakgebied van de microrobotica. Tot nu toe waren de meeste kleine robots die op land en in water konden bewegen óf te traag, óf te groot, óf hadden een draad nodig om van stroom te worden voorzien. Deze nieuwe robot laat zien dat een enkele, eenvoudige mechaniek de complexe eisen van twee verschillende werelden kan hanteren. Het opent de deur voor toekomstige machines die rampgebieden kunnen verkennen, overlevenden kunnen zoeken in overstroomde gebieden, of delicate ecosystemen kunnen monitoren zonder deze te verstoren. De onderzoekers merkten op dat hoewel hun huidige robot goed werkt op gladde oppervlakken, toekomstige versies zich moeten aanpassen aan ruwer terrein zoals zand of gras. Ze zijn ook van plan visuele sensoren toe te voegen zodat de robot zelfstandig kan navigeren zonder menselijke controle. Voor nu echter vormt de demonstratie van een 2,1 centimeter lange robot die met hoge snelheden rent en zwemt een duidelijk bewijs dat de trucs van de natuur succesvol kunnen worden vertaald naar engineering, waardoor machines ontstaan die even behendig zijn als de insecten die hen inspireerden.