Faszination Technik Mini-Roboter hüpft wie ein Frosch über Treppenstufen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein nur ein Gramm leichter Roboter, der dank eines bionischen Direktantriebs ohne Federn zentimetergenau über Treppenstufen hüpft.

Wenn es um die Erkundung schwer zugänglicher Umgebungen geht, richten sich viele Blicke in den Himmel auf fliegende Drohnen. Doch das Fliegen ist energetisch teuer. In der Welt der Insekten und Amphibien ist das Hüpfen eine weitaus beliebtere – und fast um zwei Größenordnungen energieeffizientere – Fortbewegungsart. Während eine Mücke im Flug permanent Energie aufwenden muss, verbraucht ein Floh nur im Moment des Absprungs Kraft.Für Entwickler von Mikrorobotern war der Floh daher lange das biologische Vorbild. Das Prinzip: Ein Federmechanismus wird über Teile des Exoskeletts (oder Robotergehäuses) gespannt und schlagartig entladen. Doch diese Konstruktion hat auf der Mikroskala entscheidende Nachteile. 

Das Problem der Floh-Mechanik

Roboter, die auf Federn und Klinken setzen, können zwar beachtliche Distanzen zurücklegen, die Steuerung der Sprungweite ist jedoch extrem schwierig. „Das Entspannen einer Feder ist eine Alles-oder-Nichts-Aktion“, erklärt Sawyer Fuller, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of Washington (UW). Zudem seien die benötigten mechanischen Komponenten wie Federn und Klinken im Miniaturmaßstab hochkomplex, fehleranfällig und schwer zu fertigen. Die Lösung des Forschungsteams um Fuller und den Doktoranden Hanquan Wang für ihren neuen Roboter „DirectHop“ lautet daher: Die Feder wird komplett aus der Konstruktion verbannt.

Direktantrieb: Vom Floh zum Frosch

Stattdessen orientierten sich die Ingenieure an der Beinmuskulatur eines Frosches, die einen Sprung direkt antreibt. „Wir haben herausgefunden, dass ein sehr kleiner Elektromotor schnell genug beschleunigen kann, um den Sprung direkt auszuführen“, so Wang. Der große Vorteil dieser direkten Aktorik: Durch eine einfache Anpassung der Stromstärke, die an den Motor geliefert wird, lässt sich die Sprunghöhe zentimetergenau kalibrieren.

Die Kinematik des nur rund 1 Gramm schweren Roboters ist ebenso simpel wie effektiv: Der winzige Elektromotor ist über ein Stück robuste Angelschnur an einer turmartigen Struktur befestigt. Beschleunigt der Motor, spult er die Schnur in Sekundenbruchteilen auf und zieht sich selbst am Turm hinauf. Dadurch wird der gesamte Roboter in die Luft katapultiert. Während der Motor aufsteigt, fahren drei klappbare Beine aus, die das System stabilisieren. Bei voller Leistung überwindet DirectHop so problemlos eine Standard-Treppenstufe.

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Schwerpunktverlagerung zur Selbstaufrichtung

Eine weitere Herausforderung bei hüpfenden Mikrorobotern ist die Landung. Da das System in der Luft unweigerlich ins Taumeln gerät, landet es meist auf der Seite. Auch hier half die Bionik, genauer gesagt die Dosenschildkröte. Die Ingenieure konstruierten einen Überrollkäfig, der den Roboter bei einem seitlichen Aufprall schützt. Liegt der DirectHop am Boden, fährt der Motor an der Turmstruktur wieder nach unten. Durch diese gezielte Schwerpunktverlagerung rollt der Roboter in 90 Prozent der Fälle automatisch wieder auf seinen Fuß – und ist sofort bereit für den nächsten Sprung.

Günstige Schwarmrobotik für die Industrie

Aktuell befindet sich DirectHop noch im Prototypenstatus und wird per Kabel mit Strom und Steuerbefehlen versorgt. Die Forscher arbeiten jedoch bereits an der nächsten Generation: Integrierte Solarzellen, Mikrobatterien, Vibrationsmotoren zur Ausrichtung und eine miniaturisierte Kamera sollen künftig vollautonome Missionen, wie etwa das selbstständige Treppensteigen, ermöglichen. Da die verwendeten Komponenten extrem klein und günstig sind, rechnen die Konstrukteure mit Produktionskosten von etwa 10 US-Dollar pro Stück. In Zukunft könnten Schwärme von hunderten solcher Semi-Einweg-Roboter für Inspektionen eingesetzt werden – etwa um Gaslecks in Raffinerien aufzuspüren oder landwirtschaftliche Flächen zu überwachen. Fällt ein einzelner Roboter aus, übernimmt einfach der restliche Schwarm die Aufgabe.