Wir haben im Laufe der Jahre viele verschiedene Roboter-Wasserläufer gesehen, aber Wissenschaftler entdecken immer noch neue Einfallsreichtume bei diesem Insekt und reproduzieren sie. Beispielsweise haben Forscher kürzlich einen Wasserläuferroboter erfunden, der sich mithilfe von Ventilatoren an seinen Füßen schnell über das Wasser bewegen kann.

Mit einer Länge von nur 3 Millimetern ist der Rhagovelia-Wasserläufer etwas ganz Besonderes. Ihre beiden langen Mittelbeine (die dem Antrieb dienen) enden in gefiederten Fortsätzen, die sich entfalten, wenn sie auf das Wasser treffen. Während sie vorwärts paddeln, heben diese Unterwasseranhängsel die Wasseroberfläche an wie die Schwimmhäute zwischen den Zehen des Frosches und treiben das Insekt schnell vorwärts.

Am Ende des Strichs werden die fächerförmigen Tentakel aus dem Wasser gezogen und die nassen Tentakel sammeln sich zu einer Spitze – ein bisschen wie die Borsten eines frisch getränkten Pinsels. Dadurch erhalten die Tentakel eine stromlinienförmigere Form, während die Beine zur Vorbereitung auf den nächsten Schlag nach vorne schwingen.


Ein aufgefächerter Rhagovelia-Wasserläufer – auf diesem Foto sind sein Fächer und seine Krallen nach unten gerichtet und spiegeln sich wie ein Spiegel im Wasser

Diese fächerförmigen Strukturen ermöglichen es den Insekten, sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 120 Körperlängen pro Sekunde schnell über das Wasser zu bewegen. Darüber hinaus kann der Wasserläufer durch einfaches Ausbringen einer wasserabsorbierenden fächerförmigen Struktur auf einer Seite der Wasseroberfläche eine 90-Grad-Drehung in etwa 50 Millisekunden durchführen.

Basierend auf dieser Idee beschlossen Wissenschaftler der University of California in Berkeley, der Ajou University in Südkorea und des Georgia Institute of Technology, Rhagovelia eingehender zu untersuchen.

Mittels Elektronenmikroskopie entdeckten Professor Je-Sung Koh von der Ajou-Universität und Postdoktorand Dongjin Kim, dass jedes fächerförmige Einzelfilament aus einem flachen, flexiblen, bandartigen Mittelstreifen besteht, von dem sich auf beiden Seiten kleinere Barbulen verzweigen – wirklich wie eine Feder. Durch dieses Design kann sich der fächerförmige Fortsatz unter Wasser entfalten, sodass er wie ein Paddel verwendet werden kann.


Auf der linken Seite ist ein Foto der Fächer und Klauen an den Enden der beiden Paddelbeine von Rhagovelia zu sehen, und auf der rechten Seite ist ein farbiges Rasterelektronenmikroskopbild des Fächers zu sehen, das die Stacheln des Fächers und die flache, bandartige Mikrostruktur der kleineren Stacheln (grün) zeigt, aus denen der Fächer besteht.

Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass die Oberflächenspannung des Wassers die gesamte elastische Kraft bereitstellt, die zum Entfalten dieser Fäden erforderlich ist. Bisher ging man davon aus, dass dieser Entfaltungsvorgang durch Muskeln angetrieben wird. Während des Schlags wird eine geringe Muskelkraft eingesetzt, um diese Fäden unter Spannung zu halten, es ist jedoch keine Muskelkraft erforderlich, um sie zu spreizen.

Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelte das Team eine Roboterversion des Insekts namens Rhagobot. Mit 8 cm Länge, 10 cm Breite und 1,5 cm Höhe (3,1 x 3,9 x 0,6 Zoll) ist es auf jeden Fall größer als sein Namensvetter. Am Ende jedes seiner beiden Mittelbeine befindet sich eine 1 Milligramm schwere Rhagovelia-ähnliche fächerförmige Struktur mit flachen, bandartigen Mikrostrukturen von 10 x 5 Millimetern.


Der semi-aquatische Roboter Rhagobot (links) ist neben einer Nahaufnahme seines bionischen Ventilators zu sehen, der sich einschaltet, wenn er Wasser ausgesetzt wird

Der gesamte Roboter ist fest an eine externe Stromquelle angeschlossen und wiegt nur ein Fünftel Gramm. Derzeit kann er sich mit einer Distanz von zwei Körperlängen pro Sekunde schnell über das Wasser bewegen und eine 90-Grad-Kurve in weniger als einer halben Sekunde vollenden. Es besteht die Hoffnung, dass Nachkommen von Rhagobot schneller und flexibler für Anwendungen wie Such- und Rettungsdienste oder Umweltüberwachung sein werden.

„Unsere Roboterventilatoren sind in der Lage, sich nur mithilfe von Wasserkraftkräften und flexibler Geometrie selbst zu verformen, genau wie ihre biologischen Gegenstücke“, sagte Gao, leitender Co-Autor der Studie zusammen mit Georgia Tech-Professor Saad Bumrah. „Dies ist eine Art mechanische eingebettete Intelligenz, die von der Natur nach Millionen von Jahren der Evolution verfeinert wurde. Im Bereich kleiner Roboter wird dieser effiziente und einzigartige Mechanismus zu einer Schlüsseltechnologie, um die Grenzen der traditionellen Roboterminiaturisierung zu durchbrechen.“

Die Forschung wurde von Ortega-Jiménez, einem Assistenzprofessor an der University of California, Berkeley, geleitet und sein Artikel wurde kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Im Video unten können Sie Rhagobot in Aktion sehen.

Quelle: University of California, Berkeley, Georgia Institute of Technology