Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam der North Carolina State University in den Vereinigten Staaten hat kürzlich einen neuen Typ von Softroboter entwickelt. Der Roboter kann bei Beleuchtung mit Infrarotlicht kontinuierlich springen, ohne dass menschliches Eingreifen oder Nachjustieren erforderlich ist. Die Forscher sagten, dass diese Errungenschaft einen neuen autonomen Bewegungsmechanismus von Soft-Robotern demonstriert und neue Ideen für das Design zukünftiger selbstfahrender Roboter liefert.
Dieser Roboter hat die Form eines Wassertropfens und wurde vom Forschungsteam „Ring Jumper“ genannt. Im Gegensatz zu vielen Robotern, die Batterien, Motoren oder komplexe Steuerungssysteme benötigen, ist die Stromversorgung ausschließlich auf externes Infrarotlicht angewiesen. Sobald der Roboter beleuchtet ist, kann er weiterhin zyklische Aktionen ausführen und zwischen verschiedenen Bewegungsmodi wie Vorwärts, Springen und sogar Vertikalflug wechseln.
Das Kernprinzip des Roboters besteht laut den Forschern darin, Torsionsverformung zu nutzen, um elastische potentielle Energie zu speichern und sie sofort wieder freizusetzen, wenn sie einen kritischen Punkt erreicht. Da sich die Struktur selbst automatisch erholen kann, muss sie nicht nach jedem Sprung zurückgesetzt werden, sondern kann in den Ausgangszustand zurückkehren und die nächste Aktionsrunde starten. Der gesamte Vorgang kann wiederholt werden, solange das Infrarotlicht weiterhin vorhanden ist.
Strukturell besteht der Roboter hauptsächlich aus einem tropfenförmigen Ring aus Flüssigkristall-Elastomermaterial, der an einem Ende mit einer schlanken V-förmigen Aluminiumstruktur verbunden ist. Wenn Infrarotlicht auf die Oberfläche des Materials trifft, schrumpft das Flüssigkristall-Elastomer, wodurch sich die gesamte Struktur dreht.
Ohne zusätzliches Design rollt diese Struktur normalerweise einfach an Ort und Stelle. Die an den Enden angebrachten V-förmigen Aluminiumteile verhindern diesen Vorgang jedoch und führen dazu, dass der Riemen kontinuierlich Torsionsverformungen aufbaut. Mit zunehmender Torsionsbelastung wird die im Material gespeicherte elastische potentielle Energie immer größer. Wenn ein bestimmter kritischer Punkt erreicht ist, wird die Energie plötzlich freigesetzt und die V-förmige Struktur schleudert schnell nach unten und schlägt auf dem Boden auf, wodurch der gesamte Roboter in die Luft geschleudert wird.
Nach Abschluss eines Sprungs kehrt der Roboter in seine ursprüngliche Form zurück und beginnt dann erneut mit dem Energiespeicher- und -abgabezyklus, wodurch ein kontinuierliches autonomes Sprungverhalten entsteht.
Das Forschungsteam fand heraus, dass eine einfache Änderung des Winkels der V-förmigen Struktur die Art und Weise, wie sich der Roboter bewegt, erheblich verändern kann. Wenn der eingeschlossene Winkel etwa 120 Grad beträgt, bewegt sich der Roboter hauptsächlich langsam und kriechend vorwärts; Wenn der eingeschlossene Winkel auf 90 Grad schrumpft, springt der Roboter vorwärts; und wenn sich der eingeschlossene Winkel weiter auf etwa 50 Grad verringert, kann der Roboter fast senkrecht in die Luft springen.
Die Forscher sagten, dass dies bedeutet, dass derselbe Roboter zwischen verschiedenen Bewegungsmodi umgeschaltet werden kann, indem ein einfacher geometrischer Parameter angepasst wird, ohne das Antriebsprinzip zu ändern oder zusätzliche Steuerungssysteme hinzuzufügen.
Neben der Anpassung des eingeschlossenen Winkels stellte das Team auch fest, dass die Position des Schwerpunkts des Roboters auch die Bewegungsleistung beeinflusst. Experimente zeigen, dass der Roboter durch Hinzufügen eines kleinen Gegengewichts am runderen Ende der tropfenförmigen Struktur eine längere Sprungweite und eine stabilere Vorwärtsflugbahn erreichen kann. Forscher vergleichen dieses Phänomen mit einem Schwimmer, der sich beim Losfahren nach vorne beugt, um mehr Vortrieb zu erlangen.
Während des Experiments stellte das Forschungsteam außerdem fest, dass die Intensität des Infrarotlichts für die sportliche Leistung entscheidend ist. Wenn die Lichtintensität nicht ausreicht, kann der Roboter nicht genug Energie sammeln, um den Sprung abzuschließen. Wenn die Lichtintensität jedoch zu stark ist, kann der Sprungvorgang instabil werden und die Richtung möglicherweise sogar unvorhersehbar sein. Daher ist die richtige Steuerung der Lichtintensität eine wichtige Voraussetzung für eine stabile und kontinuierliche Bewegung.
Forscher glauben, dass diese Art von Soft-Roboter, der sich selbst zurücksetzen kann, sich weiterbewegt und eine einfache Struktur hat, in Zukunft voraussichtlich in den Bereichen der Erkundung komplexer Umgebungen, der Inspektion enger Räume und der Forschung zu neuen selbstgesteuerten Soft-Robotern eingesetzt wird. Da kein komplexes elektronisches Steuerungssystem erforderlich ist und autonome Bewegungen ausschließlich auf der Grundlage von Materialeigenschaften und externen Lichtquellen durchgeführt werden können, bietet es auch eine neue Entwicklungsrichtung für zukünftige kostengünstige, leichte Roboterkonstruktionen.
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