Forscher entwickeln Roboterinsekten, die eines Tages aus mechanischen Bienenstöcken schwärmen könnten, um schnell und präzise Bestäubung durchzuführen. Allerdings schränken selbst die Wissenschaftler ein, dass auch die besten Roboter in Insektengröße es in puncto Ausdauer, Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit nicht mit natürlichen Bestäubern wie Bienen aufnehmen werden können.

Inspiriert von der Anatomie natürlicher Bestäuber haben die Forscher das bisherige Design überarbeitet, um winzige Flugroboter herzustellen, die weitaus beweglicher und langlebiger sind als frühere Versionen.
Die neuen Bots können mehr als 15 Minuten schweben, was mehr als 100 Mal länger ist als bisher. Das Roboterinsekt, das weniger als eine Büroklammer wiegt, kann deutlich schneller fliegen als ähnliche Bots und dabei akrobatische Manöver wie doppelte Saltos in der Luft ausführen.

Das neue Design bietet zudem genügend Freiraum, sodass der Roboter winzige Batterien oder Sensoren tragen kann, die es ihm ermöglichen könnten, außerhalb des Labors allein zu fliegen.

„[...] Mit der verbesserten Lebensdauer und Präzision dieses Roboters kommen wir einigen sehr spannenden Anwendungen näher, wie der unterstützten Bestäubung“, erklärt Professor Kevin Chen am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Frühere Versionen des Roboterinsekts bestanden aus vier identischen Einheiten mit jeweils zwei Flügeln, die zu einem rechteckigen Gerät von der Größe einer Mikrokassette kombiniert wurden.
„Aber es gibt kein Insekt mit acht Flügeln. In unserem alten Design war die Leistung jeder einzelnen Einheit immer besser als die des zusammengesetzten Roboters“, erläutert Kevin Chen rückblickend.
Dieser Leistungsabfall wurde teilweise durch die Anordnung der Flügel verursacht, die beim Flattern Luft ineinander bliesen und so die Auftriebskräfte verringerten, die sie erzeugen konnten.

Das neue Design teilt den Roboter in zwei Hälften. Jede der vier identischen Einheiten hat jetzt einen flatternden Flügel, der vom Zentrum des Roboters weg zeigt, was die Flügel stabilisiert und ihre Auftriebskräfte erhöht. Mit nur halb so vielen Flügeln schafft dieses Design so viel Platz, sodass der Roboter Elektronik tragen kann.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher komplexere Getriebe, die die Flügel mit den Aktuatoren oder künstlichen Muskeln verbinden, die sie schlagen. Diese langlebigen Getriebe, für die längere Flügelscharniere entwickelt werden mussten, verringern die mechanische Belastung, die die Haltbarkeit früherer Versionen einschränkte.

Doch selbst mit diesen Innovationen besteht immer noch eine Lücke zwischen den besten Roboterinsekten und echten Bestäubern. Eine Biene hat beispielsweise nur zwei Flügel, kann aber dennoch schnelle und hochkontrollierte Bewegungen ausführen.

„Die Flügel der Bienen werden von einem sehr anspruchsvollen Satz Muskeln fein gesteuert. Dieses Maß an Feinabstimmung ist etwas, das uns wirklich fasziniert, das wir aber noch nicht reproduzieren konnten“, erklärt Kevin Chen.

Weniger Belastung, mehr Kraft

Die Bewegung der Flügel des Roboters wird durch künstliche Muskeln angetrieben. Diese winzigen, weichen Aktuatoren bestehen aus Elastomerschichten, die zwischen zwei sehr dünnen Kohlenstoffnanoröhrenelektroden eingeschlossen und dann zu einem weichen Zylinder gerollt werden. Die Aktuatoren komprimieren und dehnen sich schnell aus und erzeugen so eine mechanische Kraft, die die Flügel schlagen lässt.

Eine weitere neue Konstruktion umfasst ein langes Flügelscharnier, das die Torsionsspannung während der Flügelschlagbewegung verringert. Die Herstellung des Scharniers, das etwa zwei Zentimeter lang, aber nur 200 Mikrometer im Durchmesser ist, war eine der größten Herausforderungen.
Nach vielen Versuchen perfektionierten die Forscher einen mehrstufigen Laserschneidprozess, der es ihnen ermöglichte, jedes Flügelscharnier präzise herzustellen.

Der neue Roboter erreicht eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 35 Zentimetern pro Sekunde. Das Ziel der Forscher besteht jetzt darin, einen Flug zu erreichen, der länger als 10.000 Sekunden dauert.
Sie wollen auch die Präzision der Roboter verbessern, damit sie in der Mitte einer Blume landen und von dort aus starten können. Auf lange Sicht hoffen die Forscher, winzige Batterien und Sensoren in die Flugroboter einbauen zu können, damit sie außerhalb des Labors fliegen und navigieren können.