Die meisten Roboter verwenden elektrische Aktuatoren, aber dieser kleine Kerl kann noch viel mehr. Forscher haben einen neuen Typ eines Miniatur-Verbrennungsmotors entwickelt, der dem kleinen Froschroboter explosive Sprungfähigkeiten und eine feine Motorsteuerung verleiht.
Die Idee, Treibstoff zu verbrennen, um einen Roboter anzutreiben, scheint aus dem letzten Jahrhundert zu stammen, aber wie ein Forscherteam des Organic Robotics Laboratory der Cornell University betont, sind heutige Batterien schwer und transportieren nicht viel Energie – daher ist die Leistung elektrischer Aktuatoren begrenzt.
Diese Grenzwerte wären sogar noch höher, wenn stattdessen hochenergetische chemische Kraftstoffe verwendet würden. Deshalb machte sich das Team daran, einen neuen Typ eines schnellen Hochfrequenz-Roboteraktuators zu entwickeln, der ähnlich wie ein normaler Verbrennungsmotor funktionieren würde.
Die winzigen Aktoren mit einem Durchmesser von etwa 5 Millimetern (0,2 Zoll) ziehen Methan und Sauerstoff in eine einfache 0,09-Milliliter-Brennkammer und entzünden sie mit einem Funken. Die Oberseite des Brennraums ist mit einer Schicht aus hochelastischer Silikon-Drachenhautfolie bedeckt, die ein bisschen wie ein Kolben in einem Automotor funktioniert. Wenn Kraftstoff verbrannt wird, dehnt er sich aus, um das Volumen der Brennkammer zu vergrößern, und erholt sich dann schnell wieder, um das Abgas aus den kleinen Löchern an der Seite abzuführen.
Es geht alles sehr schnell, aber das Endergebnis ist: Je größer der Aufprall, desto mehr springt die Membran ab. Diese Aktuatoren können Stöße mit einer Hohlraumvolumenausdehnung von bis zu 140 % und Kräften von mehr als 9,5 N verarbeiten und sind sehr schnell und arbeiten bei Bedarf mit einer Frequenz von mehr als 100 Mal pro Sekunde.
Das Cornell-Team hat 3D-gedruckte Prototypen dieser kleinen Verbrennungsaktuatoren auf die Fußpolster eines winzigen starren vierbeinigen Froschroboters eingebettet, sodass die Füße nach unten gedrückt werden, wenn die Membran eines bestimmten Aktuators abspringt. Sie entwarfen ein Steuerungsschema, das die Funkenfrequenz, das Kraftstoffäquivalenzverhältnis und den Kraftstoffdurchfluss des Aktuators variierte, kombinierten diese Steuerungen dann mit der Steuerung von zwei linken und zwei rechten Beinen und begannen dann zu überlegen, wozu sie den Roboter bewegen könnten.
Es gelang ihnen, den Roboter dazu zu bringen, im oszillierenden Gang vorwärts zu kriechen und in verschiedenen Höhen, auch auf höher gelegene Flächen, nach vorne zu springen. Sie schufen einen schlangenförmigen Vorwärtsgang, der auf Rotation beruhte, und ließen ihn auf der Stelle im oder gegen den Uhrzeigersinn rotieren.
Um die explosive Kraft des Aktuators zu demonstrieren, ließen sie den Roboter beeindruckende 56 Zentimeter (1,8 Fuß) in die Luft springen und demonstrierten außerdem, dass sich der Roboter auf verschiedenen festen, reibungsreichen, reibungsarmen und losen Oberflächen bewegen konnte. Sie beluden den Roboter außerdem mit 32 Gramm Fracht (mehr als das 22-fache des Eigengewichts des Roboters) und zeigten, dass sie die Bewegung des Roboters immer noch kontrollieren konnten.
Schließlich könnten diese kleinen Aktuatoren Robotikern eine praktische zusätzliche Option bieten, wenn ultraschnelle Bewegungen erforderlich sind – stellen Sie sich vor, wie schön es wäre, wenn Atlas mit seiner Beinhydraulik oder feuerbetriebenen Schlägen explosive Unterstützung leisten könnte.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Sehen Sie sich das Video unten an.