#Raffinierter Flatter-Antrieb entwickelt

Elektromechanische Effekte sorgen für den Flügelschlag: Forscher haben ein cleveres Antriebssystem für flatternde Flugroboter entwickelt, das ohne herkömmliche Motor- und Getriebetechnik auskommt. Die Leichtigkeit geht dabei auch nicht zulasten der Leistung: Das System kann insektenartige Flugroboter kraftvoll und energiesparend durch die Luft befördern, zeigen Tests. Das unkomplizierte Antriebskonzept könnte damit den Weg für kleinere, leichtere und effektivere Mikroflugroboter für die Umweltüberwachung oder die Rettungshilfe ebnen, sagen die Entwickler.

Drohnen mit Propellerantrieb dominieren momentan die Entwicklungen bei den kleinen Fluggeräten. Daneben gibt es allerdings auch bereits Ansätze, die sich mehr am Vorbild der Flugtechnik der Natur orientieren. Flugroboter mit schlagenden Flügeln können in bestimmten Anwendungsbereichen auch einige Vorteile bieten. Vor allem sehr kleine Geräte, die für manche Einsatzzwecke günstig sind, können von dem System profitieren: Sie erreichen durch Schlagflügel eine bessere Manövrierfähigkeit sowie Flugstabilität und zudem ist der Betrieb im Vergleich zu Propellern sehr leise.

Doch bisher gibt es bei den technischen Lösungen einen Haken: Die Flügel von Mikroflugrobotern werden meist durch Motoren, Getriebe und andere komplexe Übertragungssysteme in eine Auf- und Abwärtsbewegungen versetzt. Diese Konzepte sind mit technischer Komplexität, Energieverlusten, Gewicht und unerwünschten dynamischen Effekten verbunden. Das Antriebssystem belastet somit die bisherigen Designs und schränkt vor allem ihre Reichweiten deutlich ein.

Direkte statt indirekte Kraftübertragung

Um bessere Lösungen zu entwickeln, haben sich Wissenschaftler um Tim Helps von der University of Bristol nun erneut am Vorbild der Natur orientiert. In der Biologie gibt es bekanntlich keine Zahnrädchen oder sich drehenden Getriebeteile – Muskeln sorgen stattdessen für die Bewegungen der Flügel. In Anlehnung an Biene und Co haben die Forscher eine Art künstliches Muskelsystem entwickelt, das auf innovative Weise für Schlagbewegungen sorgen kann. Statt rotierende Teile und Getriebeelemente lösen beim sogenannten Liquid-amplified Zipping Actuator (LAZA) elektrostatische Kräfte die Auf- und Abwärtsbewegungen aus. „Dabei werden die Kräfte direkt in Flügelbewegung umgesetzt und nicht über ein komplexes, ineffizientes Übertragungssystem“, sagt Helps.

Die Flügelbasis des LAZA-Systems bildet ein negativ geladenes Elektrodenstäbchen. Es liegt eingebettet zwischen zwei nach außen gewölbten Elektroden. Wenn diese nun abwechselnd eine negative oder positive Ladung erhalten, wird das Flügelstäbchen in der Mitte durch die jeweiligen Anziehungskräfte nach oben beziehungsweise nach unten ausgelenkt. Der Effekt wird dabei durch einen Tropfen eines flüssigen Dielektrikums in der Flügelbasis verstärkt. Durch Einstellung der Frequenz des Ladungswechsels kann somit ein Schlageffekt mit verschiedenen Geschwindigkeiten eingestellt werden.

Leicht, unkompliziert und dennoch leistungsstark

Um zu zeigen, dass dieses System einen Flügel effektiv in Bewegung versetzten kann, haben die Forscher einen Libellen-großen Prototyp eines Mikroflugroboters gebaut: Sie montierten dazu transparente Kunststoffflügel an die schlagenden LAZA-Elemente. Auswertungen von Flugtests mit diesem Mikroflugroboter ergaben dann: Das LAZA-Konzept kann im Vergleich zu gleich schweren Insektenmuskeln einem Schlagflügel sogar mehr Leistung vermitteln. Der energiesparende Antrieb konnte den Mikroflugroboter dabei mit 18 Körperlängen pro Sekunde durch die Luft befördern, berichten die Forscher. Robust ist das System offenbar ebenfalls: Es schlägt auch im Dauerbetrieb gleichmäßig und verlässlich.

Das LAZA-System könnte damit nun zu einem grundlegenden Baustein bei der Entwicklung von autonomen, insektenähnlichen Flugrobotern werden, sagen die Wissenschaftler. „Es ermöglicht Leistung in Verbindung mit einem einfacheren Design. So könnte es eine neue Klasse von kostengünstigen und leichten Mikroflugrobotern für künftige Anwendungen hervorbringen“, sagt Helps. Seniorautor Jonathan Rossiter von der University of Bristol führt dazu weiter aus: „LAZA ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu autonomen Flugrobotern, die so klein wie Insekten sein können. Sie könnten beispielsweise einmal Pflanzen bestäuben oder Aufgaben wie das Auffinden von Menschen in eingestürzten Gebäuden übernehmen“.

Quelle: University of Bristol, Fachartikel: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abi8189

Video © Dr Tim Helps/ University of Bristol

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