Agile Drohnen in Insektengröße

Insekten können im Flug bemerkenswert akrobatisch und widerstandsfähig sein. Diese Eigenschaften helfen ihnen, sich in der Luftwelt zurechtzufinden, mit Windböen, Hindernissen und allgemeiner Unsicherheit. Forscher haben insektengroße Drohnen mit ähnlicher Geschicklichkeit und Widerstandsfähigkeit entwickelt. Die Flugroboter werden von einer neuen Klasse von Soft-Aktuatoren angetrieben, die es ihnen ermöglichen, den körperlichen Strapazen des realen Fluges standzuhalten. Die Roboter könnten eines Tages Menschen helfen, indem sie Pflanzen bestäuben oder Maschineninspektionen auf engstem Raum durchführen.

Normalerweise benötigen Drohnen weite, offene Flächen, weil sie weder flink genug sind, um auf engstem Raum zu navigieren, noch robust genug, um Zusammenstößen in einer Menschenmenge standzuhalten. Sehr kleine Drohnen erfordern eine grundlegend andere Konstruktion als größere. Große Drohnen werden normalerweise von Motoren angetrieben, die mit zunehmender Größe an Effizienz verlieren. Für insektengroße Drohnen bestand die Alternative darin, einen kleinen, starren Aktuator aus piezoelektrischen Keramikmaterialien einzusetzen. Während piezoelektrische Keramik der ersten Generation winziger Roboter den Flug ermöglichte, sind sie ziemlich zerbrechlich. Und das ist ein Problem, wenn Sie einen Roboter bauen, der ein Insekt nachahmt – Hummeln, die auf Nahrungssuche sind, erleiden ungefähr einmal pro Sekunde eine Kollision.

Das Team entwarf eine widerstandsfähigere winzige Drohne mit weichen Aktuatoren anstelle von harten, zerbrechlichen. Die weichen Aktuatoren bestehen aus dünnen Gummizylindern, die mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet sind. Wenn Spannung an die Kohlenstoffnanoröhren angelegt wird, erzeugen sie eine elektrostatische Kraft, die den Gummizylinder zusammendrückt und dehnt. Durch wiederholte Dehnung und Kontraktion schlagen die Flügel der Drohne fast 500 Mal pro Sekunde, was der Drohne eine insektenähnliche Widerstandsfähigkeit verleiht. Die Drohnen können im Flug getroffen werden und sich erholen und können auch aggressive Manöver wie Purzelbäume in der Luft ausführen. Die Drohnen wiegen 0,6 Gramm oder etwa die Masse einer großen Hummel. Die Drohne sieht ein bisschen aus wie eine winzige Kassette mit Flügeln, obwohl das Team an einem neuen Prototyp in Form einer Libelle arbeitet.

Aufgrund der inhärenten Nachgiebigkeit der weichen Aktuatoren kann der Roboter sicher auf Hindernisse stoßen, ohne den Flug stark zu behindern. Diese Funktion eignet sich gut für Flüge in unübersichtlichen, dynamischen Umgebungen und könnte für eine Vielzahl von Anwendungen in der realen Welt sehr nützlich sein. Ein wichtiger Schritt in Richtung dieser Anwendungen wird das Abkoppeln der Roboter von einer kabelgebundenen Stromquelle sein, was derzeit aufgrund der hohen Betriebsspannung der Aktuatoren erforderlich ist.

Die Mini-Drohnen könnten komplexe Maschinen navigieren, um Sicherheit und Funktionalität zu gewährleisten; zum Beispiel bei der Inspektion eines Turbinentriebwerks. Die Drohne muss sich mit einer kleinen Kamera in einem geschlossenen Raum bewegen, um die Turbinenplatten auf Risse zu prüfen. Andere potenzielle Anwendungen umfassen die künstliche Bestäubung von Nutzpflanzen oder die Durchführung von Such- und Rettungsmissionen nach einer Katastrophe.

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