Schmetterlingsrüssel wird zum Vorbild für winzige Roboter der Zukunft

Ein Schmetterlingsrüssel löst ein Problem, an dem auch Ingenieure arbeiten: viel Beweglichkeit auf möglichst wenig Raum. Zusammengerollt nimmt er kaum Platz ein, ausgestreckt erreicht er eine erstaunliche Länge. Forscher haben dieses Prinzip nun auf einen winzigen Antrieb übertragen. Er reagiert auf Magnetfelder, schafft einen vollständigen Bewegungszyklus in rund 150 Millisekunden und bewegt Lasten, die mehr als das 30-Fache seines eigenen Gewichts wiegen. Für künftige Mikroroboter könnte diese Kombination aus Kraft, Tempo und kompakter Bauweise besonders interessant sein.

Hinter der Entwicklung steht ein Team der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung. Im Fachjournal Advanced Materials beschreiben die Wissenschaftler eine hauchdünne keramische Struktur, die sich ähnlich wie ein Schmetterlingsrüssel einrollen und wieder öffnen kann. Als Vorbild diente dabei nicht dessen Funktion beim Trinken. Entscheidend war die Mechanik: Der lange Rüssel lässt sich sehr eng aufwickeln und bei Bedarf wieder ausstrecken.

Schmetterlingsrüssel-Trick könnte Mikroroboter erstaunlich kräftig machen

Der künstliche Mini-Antrieb besteht aus einer extrem dünnen Schicht aus Vanadiumpentoxid. Darin sitzen magnetische Eisenoxid-Nanopartikel. Nähert sich ein Magnet, reagiert die Struktur und entrollt sich. Wird das Magnetfeld entfernt, nimmt sie wieder ihre aufgewickelte Form an. Die Bewegung lässt sich damit von außen steuern, ohne Motor, Kabel oder andere mechanische Bauteile direkt an der Rolle anzubringen.

Ungewöhnlich ist vor allem das Material. Keramik gilt normalerweise als hart und spröde. In dieser extrem dünnen Form lässt sie sich jedoch stark biegen, ohne sofort zu brechen. Auch die Herstellung fällt vergleichsweise simpel aus. Eine Rasierklinge löst die dünne Schicht vom Untergrund. Dabei biegt sie sich kontinuierlich und wickelt sich innerhalb kurzer Zeit zu einer engen Rolle auf.

Magnet setzt Mini-Antrieb in 150 Millisekunden in Bewegung

Wie schnell das funktioniert, lässt sich messen. Für einen vollständigen Zyklus aus Entrollen und erneutem Aufrollen benötigt der Aktuator rund 150 Millisekunden. Rein rechnerisch wären damit mehrere Bewegungszyklen pro Sekunde möglich. Für einen technischen Antrieb zählt jedoch nicht allein das Tempo. Er muss dieselbe Bewegung immer wieder ausführen können.

Deshalb prüfte das Team auch die Haltbarkeit. Die Rollen absolvierten 5.000 Bewegungszyklen, ohne ihre grundlegende Funktion einzubüßen. Das ist für mögliche Anwendungen in der Mikro- und Softrobotik relevant. Dort sollen Aktuatoren häufig viele kleine, kontrollierte Bewegungen ausführen und zugleich möglichst wenig Platz beanspruchen.

Winzige Rolle bewegt mehr als das 30-Fache ihres Gewichts

Besonders auffällig ist die Kraft im Verhältnis zur eigenen Masse. Die Mikrorollen konnten Lasten bewegen, die mehr als 30-mal so schwer waren wie sie selbst. Bei einem Versuch hob eine etwa 15 Millimeter lange Rolle einen Holzstab mit einem Gewicht von rund 13 Milligramm an. Der kleine Aktuator funktioniert damit ähnlich wie ein künstlicher Muskel: Ein äußeres Signal löst eine kontrollierte mechanische Bewegung aus.

Dabei bleiben die Rollen im Ruhezustand ausgesprochen kompakt. Ihr Durchmesser beträgt zusammengerollt lediglich einige Hundert Mikrometer. Vollständig ausgebreitet können sie dagegen bis zu 25 Millimeter lang werden. Viel Bewegung lässt sich so auf sehr kleinem Raum unterbringen – ein Vorteil für technische Systeme, bei denen jeder Millimeter zählt.

Mehrere Mini-Antriebe bewegen Objekte gemeinsam

Die Technik funktioniert außerdem nicht nur mit einer einzelnen Rolle. Die Forscher ordneten mehrere Elemente zu steuerbaren Matrizen an. Gemeinsam können sie kleine Objekte anheben, verschieben oder transportieren. Damit lässt sich aus vielen einfachen Bewegungen eine komplexere mechanische Aufgabe zusammensetzen.

Ein weiterer Versuch verdeutlicht das Prinzip. Eine rund 20 Millimeter lange Rolle bewegte einen etwa vier Milligramm schweren Kohlenstoffstab nach unten. Dadurch schloss sich ein elektrischer Stromkreis und eine LED leuchtete auf. Nach dem Entfernen des Magneten rollte sich die Struktur zurück. Der Kontakt wurde wieder unterbrochen und die LED erlosch.

Mikrorollen könnten künftig Sensoren und Energiespeicher bewegen

Für das Forschungsteam geht die Bedeutung der Entwicklung deshalb über einen einzelnen Antrieb hinaus. Projektleiterin Zaklina Burghard beschreibt die Fertigungsmethode als Grundlage für weitere funktionale Mikrosysteme. „Für mich ist der Aktuator erst der Anfang“, sagt sie. Ihre Einschätzung zur Technik formuliert sie noch grundsätzlicher: „Die eigentliche Innovation ist die Rollplattform selbst.“

Die Methode könnte künftig auch auf andere dünne Funktionsmaterialien übertragen werden. Das Team nennt neben Mikro- und Softrobotik unter anderem Sensoren, Elektronik und Energiespeicher als mögliche Felder. Einen fertigen Mikroroboter haben die Wissenschaftler noch nicht gebaut. Ihre Mikrorollen liefern vielmehr einen magnetisch steuerbaren Antrieb, aus dem später bewegliche Bauteile für solche Systeme entstehen könnten.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher haben nach dem Vorbild des Schmetterlingsrüssels magnetisch steuerbare Mikrorollen entwickelt, die als Antriebe für künftige Mikroroboter dienen könnten.
• Die keramischen Strukturen reagieren in rund 150 Millisekunden, bewegen mehr als das 30-Fache ihres Eigengewichts und hielten 5.000 Bewegungszyklen stand.
• Die Technik ist noch kein fertiger Mikroroboter, sondern eine neue Aktuator-Plattform, die später auch in Sensoren, Elektronik oder Energiespeichern eingesetzt werden könnte.

Übrigens: Während der Schmetterlings-Trick winzige Antriebe für Mikroroboter beweglich macht, können sich neue künstliche Muskeln sogar im laufenden Betrieb umformen und nach Schäden weiterarbeiten. Mehr dazu in unserem Artikel.

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