Manta-Rochen inspirieren schnellsten schwimmenden Soft-Roboter

Ein Forschungsteam der North Carolina State University hat einen neuen Rekord für den schnellsten schwimmenden Soft-Roboter aufgestellt. Der Roboter, der von Manta-Rochen inspiriert wurde, erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 6,8 Körperlängen pro Sekunde und kann sich sowohl an der Wasseroberfläche als auch vertikal durch die Wassersäule bewegen.

Verbesserungen gegenüber dem Vorgängermodell

Vor zwei Jahren stellte das Team einen Soft-Roboter vor, der Geschwindigkeiten von durchschnittlich 3,74 Körperlängen pro Sekunde erreichte. Laut Jie Yin, leitendem Autor der aktuellen Studie und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, ist das neue Modell energieeffizienter und vielseitiger: „Der neue Roboter kann nicht nur schneller schwimmen, sondern sich auch durch die gesamte Wassersäule bewegen, was der vorherige Roboter nicht konnte.“

Innovative Technik und Design

Der Roboter verfügt über flossenartige Strukturen, die den Flossen eines Manta-Rochens nachempfunden sind. Diese Flossen sind mit einem flexiblen Silikonkörper verbunden, der eine Luftkammer enthält. Wird die Kammer mit Luft gefüllt, biegen sich die Flossen wie beim Abschlag eines Rochens. Lässt man die Luft entweichen, kehren die Flossen in ihre Ausgangsposition zurück.

„Durch das Einpumpen von Luft wird Energie in das System eingebracht“, erklärt Haitao Qing, Hauptautor der Studie. „Das einfache System benötigt nur einen einzigen Aktuator, was eine schnelle Bewegung der Flossen ermöglicht.“

Vertikale Bewegungssteuerung

Die Steuerung der vertikalen Bewegung basiert auf Beobachtungen des Schwimmverhaltens von Manta-Rochen. Mantas erzeugen durch ihre Flossenschläge Wasserstrahlen, die ihre Bewegung beeinflussen. Ähnlich arbeitet der Roboter, indem er durch Anpassungen der Schlagfrequenz entweder aufsteigt, abtaucht oder seine Position hält.

• Schnelle Flossenschläge: Der Roboter steigt auf, da die Luftkammer länger gefüllt bleibt und die Auftriebskraft erhöht.
• Langsame Flossenschläge: Der Roboter sinkt leicht ab, da die Kammer öfter leer ist und der Auftrieb reduziert wird.

„Die Simulationen und Experimente zeigen, dass der abwärts gerichtete Wasserstrahl des Roboters stärker ist als der aufwärts gerichtete“, erklärt Yuanhang Zhu, Co-Autor und Professor an der University of California, Riverside.

Funktionale Demonstrationen

Das Team demonstrierte die Fähigkeiten des Roboters in zwei Szenarien:

1. Der Roboter navigierte durch Hindernisse am Boden und an der Oberfläche eines Wassertanks.
2. Der Roboter transportierte eigenständig eine Last auf der Wasseroberfläche, einschließlich seiner eigenen Luft- und Energiequelle.

Ausblick

„Trotz der ausgeklügelten Technik basiert das Design auf einfachen Prinzipien“, so Yin. Das Team arbeitet nun an der Verbesserung der seitlichen Bewegungen und der Entwicklung neuer Antriebsmethoden. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, ohne die Einfachheit des Designs zu verlieren.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Co-Autoren der Arbeit sind Yinding Chi und Yaoye Hong, ehemalige Doktoranden der NC State University, sowie Daniel Quinn und Haibo Dong von der University of Virginia.