Springender Roboter springt in Rekordhöhe

Ein mechanischer Springer, der von Elliot Hawkes, Ingenieurprofessor an der University of California, Santa Barbara, und Mitarbeitern entwickelt wurde, ist in der Lage, die größte Höhe – etwa 30 Meter – aller bisherigen Springer zu erreichen, sei es konstruiert oder biologisch. Das Kunststück stellt einen neuen Ansatz für das Design von Sprunggeräten dar und fördert das Verständnis des Springens als Form der Fortbewegung.

„Die Motivation kam von einer wissenschaftlichen Frage“, sagte Hawkes, der als Robotiker versucht, die vielen möglichen Methoden zu verstehen, mit denen eine Maschine in ihrer Umgebung navigieren kann. „Wir wollten verstehen, wo die Grenzen für technische Jumper liegen.“ Während es jahrhundertelange Studien zu biologischen Springern (das wären wir im Tierreich) und jahrzehntelange Forschung zu meist biologisch inspirierten mechanischen Springern gibt, sagte er, wurden die beiden Untersuchungsrichtungen etwas getrennt gehalten. „Es gab nicht wirklich eine Studie, die die beiden vergleicht und einander gegenüberstellt und wie ihre Grenzen unterschiedlich sind – ob technische Springer wirklich auf die gleichen Gesetze beschränkt sind wie biologische Springer“, sagte er.

Biologische Systeme haben lange als die ersten und besten Modelle für Fortbewegung gedient, und das gilt insbesondere für das Springen, das von den Forschern als „Bewegung erzeugt wird, die durch Kräfte erzeugt wird, die vom Springer auf den Boden ausgeübt werden, während eine konstante Masse beibehalten wird“. Viele technische Jumper haben sich darauf konzentriert, die von der Evolution bereitgestellten Designs zu duplizieren, und das mit großer Wirkung.

Aber die Elemente, die einen Sprung in einem biologischen System erzeugen, können für technische Systeme einschränkend sein, sagte Charles Xaio, ein Ph.D. Kandidat in Hawkes Labor.

„Biologische Systeme können nur mit so viel Energie springen, wie sie in einem einzigen Schlag ihres Muskels produzieren können“, sagte Xaio. Daher ist das System in der Menge an Energie begrenzt, die es abgeben kann, um den Körper vom Boden abzudrücken, und der Springer kann nur so hoch springen.

Für technische Jumper dachten die Forscher jedoch, dass es eine Möglichkeit geben könnte, die Menge an verfügbarer Energie zu erhöhen.

Sie verwenden Motoren, die ratschen oder sich drehen, um viele Hübe auszuführen, wodurch die Energiemenge, die sie in ihrer Feder speichern können, vervielfacht wird. Die Forscher nannten diese Fähigkeit „Arbeitsmultiplikation“, die in technischen Pullovern aller Formen und Größen zu finden ist.

„Dieser Unterschied zwischen der Energieerzeugung in biologischen und künstlichen Springern bedeutet, dass die beiden sehr unterschiedliche Designs haben sollten, um die Sprunghöhe zu maximieren“, sagte Xiao. Tiere sollten eine kleine Feder haben – gerade genug, um die relativ kleine Energiemenge zu speichern, die durch ihren einzelnen Muskelzug erzeugt wird – und eine große Muskelmasse. Im Gegensatz dazu sollten technische Jumper eine möglichst große Feder und einen winzigen Motor haben.“

Die Forscher nutzten diese Erkenntnisse und entwarfen einen Springer, der sich von biologischen Springern unterscheidet – die Größe seiner Feder im Verhältnis zu seinem Motor ist fast 100-mal größer als bei Tieren. Außerdem entwickelten sie eine neue Feder, um ihre Energiespeicherung pro Masseneinheit zu maximieren. In ihrer Hybrid-Zug-Druckfeder werden Kohlefaser-Druckbögen gequetscht, während Gummibänder durch das Ziehen einer Schnur gedehnt werden, die um eine motorgetriebene Spindel gewickelt ist. Das Team fand heraus, dass die Verbindung der nach außen gebogenen Kanten der Bögen über die Mitte mit gespanntem Gummi auch die Stärke der Feder verbesserte.

„Überraschenderweise macht der Gummi die Druckbogenfeder stärker“, sagte Hawkes. „Man kann die Feder weiter komprimieren, ohne dass sie bricht.“

Der Jumper ist leicht, mit einem minimalistischen Verriegelungsmechanismus, um die Energie für den Sprung freizusetzen, und auch aerodynamisch, mit einklappbaren Beinen, um den Luftwiderstand während des Fluges zu minimieren. Insgesamt ermöglichen es diese Konstruktionsmerkmale, in 9 Millisekunden von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu beschleunigen – eine Beschleunigungskraft von 315 g – und in den Demonstrationen der Forscher eine Höhe von etwa 100 Fuß zu erreichen. Für motorbetriebene Springer ist dies laut der Studie „nahe der erreichbaren Grenze der Sprunghöhe mit derzeit verfügbaren Materialien“.

Dieses Design und die Fähigkeit, die Grenzen des biologischen Designs zu überschreiten, schafft die Voraussetzungen für die Neuinterpretation des Springens als effiziente Form der maschinellen Fortbewegung. Springende Roboter könnten Orte erreichen, die derzeit nur fliegende Roboter erreichen.

Außerhalb der Erde wären die Vorteile sogar noch ausgeprägter. Springende Roboter könnten effizient über den Mond oder Planeten reisen, ohne mit Hindernissen auf der Oberfläche fertig zu werden, und gleichzeitig auf Funktionen und Perspektiven zugreifen, die von geländebasierten Robotern nicht erreicht werden können.

„Wir haben berechnet, dass das Gerät in der Lage sein sollte, eine Höhe von 125 Metern zu überwinden, während es auf dem Mond einen halben Kilometer vorwärts springt“, sagte Hawkes und wies darauf hin, dass die Schwerkraft des Mondes 1/6 der auf der Erde beträgt und dass es im Grunde keine gibt Luftwiderstand. „Das wäre ein riesiger Sprung für Engineered Jumper.“