Flügelschlagen ist ein kraftraubender Prozess

Erstes kabelloses Roboter-Insekt hebt ab

| Autor / Redakteur: Margit Kuther / Rainer Graefen

RoboFly: das Roboter-Insekt ist nur etwas schwerer als ein Zahnstocher.
RoboFly: das Roboter-Insekt ist nur etwas schwerer als ein Zahnstocher. (Bild: Mark Stone/University of Washington)

RoboFly ist das erste kabellose Roboterinsekt, das selbstständig fliegt. RoboFly verfügt über ein eigenes ‘Gehirn’ und wird mittels Laserstrahl angetrieben.

Bis dato waren fliegende Roboterinsekten stets mit dem Boden verbunden. Denn die Elektronik, die sie benötigen, um ihre winzigen Flügel flattern zu lassen, ist zu schwer. Zudem waren sie zu klein, um Propeller zu benutzen.

Jetzt haben Ingenieure der University of Washington zum ersten Mal die Schnur durchgeschnitten und ein Gehirn hinzugefügt, so dass ihr RoboFly auf sich allein gestellt seine ersten Flügelschläge machen konnte. Ein großer Sprung für diese Art von Robotern. Die technische Herausforderung ist das Flattern: Das Flügelschlagen ist ein kraftraubender Prozess, und sowohl die Energiequelle als auch die Steuerung, die die Flügel steuert, sind zu groß und sperrig, um in einem winzigen Roboter integriert zu sein.

So hatte Fullers früheres Roboter-Insekt, das RoboBee, eine Leine – es erhielt Energie und Kontrolle durch Drähte vom Boden. Aber ein fliegender Roboter sollte in der Lage sein, selbstständig zu arbeiten. Fuller und sein Team entschieden sich für einen schmalen, unsichtbaren Laserstrahl, der ihren Roboter antreibt. Sie richten den Laserstrahl auf eine Photovoltaikzelle, die über RoboFly angebracht ist und das Laserlicht in Strom umwandelt.

RoboFly ist etwas schwerer als ein Zahnstocher und nutzt seinen eigenen Laserstrahl als Antrieb. Dazu verwendet es eine winzige Onboard-Schaltung, die die Laserenergie in ausreichend Strom umwandelt, so dass die Flügel betrieben werden können. Dennoch liefert der Laser allein nicht genug Spannung, um die Flügel zu bewegen. Deshalb hat das Team eine Schaltung entwickelt, die die aus der Photovoltaik-Zelle kommenden sieben Volt auf die für den Flug benötigten 240 Volt erhöht.

RoboFly kontrolliert seine Flügel eigenständig

Um RoboFly die Kontrolle über die eigenen Flügel zu geben, stellten die Ingenieure ein Gehirn zur Verfügung: Sie haben der gleichen Schaltung einen Mikrocontroller hinzugefügt. „Der Mikrocontroller verhält sich wie ein echtes Fliegenhirn, das den Flügelmuskeln sagt, wann sie feuern sollen“, sagt Co-Autor Vikram Iyer, Doktorand am UW Department of Electrical Engineering. „Auf RoboFly befiehlt er den Flügeln etwa „jetzt hart schlagen“ oder „nicht schlagen“.“ Konkret sendet der Controller Spannung in Wellen, um das Flattern der Flügel eines echten Insekts nachzuahmen.

„RoboFly nutzt Impulse, um die Welle zu formen“, sagt Johannes James, der Hauptautor und Doktorand der Fachrichtung Maschinenbau. „Um die Flügel schnell nach vorne flattern zu lassen, sendet der Roboter eine Reihe von Impulsen in schneller Folge und verlangsamt dann das Pulsieren, wenn man sich der Spitze der Welle nähert. Sollen die Flügel in die andere Richtung flattern, verhält es sich genau umgekehrt.“

Um RoboFly drahtlos zu machen, entwickelten die Ingenieure eine flexible Schaltung (siehe Bild 1 der Bildergalerie) mit einem Boost-Konverter, der die von der Photovoltaikzelle kommenden sieben Volt auf die für den Flug benötigten 240 Volt erhöht. Diese Schaltung hat auch ein Mikrocontroller-Gehirn, mit dem RoboFly seine Flügel steuern kann.

Noch kann RoboFly nur starten und landen

Sobald sich die Photovoltaikzelle außerhalb der direkten Sichtlinie des Lasers befindet, geht dem Roboter die Energie aus und er landet. Aber das Team hofft, den Laser bald so steuern zu können, dass RoboFly schweben und herumfliegen kann. „Während RoboFly derzeit von einem Laserstrahl angetrieben wird, könnten zukünftige Versionen winzige Batterien verwenden oder Energie aus Hochfrequenzsignalen gewinnen. Auf diese Weise kann ihre Stromquelle für bestimmte Aufgaben modifiziert werden“, sagt Co-Autor Shyam Gollakota.

Das Team der Universität von Washington will seine Ergebnisse am 23. Mai auf der International Conference on Robotics and Automation in Brisbane, Australien, vorstellen.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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