Insektgroße, agile Drohnen: Präzisionsflug für industrielle und landwirtschaftliche Aufgaben

Insekten können im Flug bemerkenswert akrobatisch und widerstandsfähig sein. Diese Eigenschaften helfen ihnen, die Luftwelt mit Windböen, Hindernissen und allgemeiner Ungewissheit zu navigieren. Forscher haben insekstengroße Drohnen mit ähnlicher Geschicklichkeit und Widerstandsfähigkeit entwickelt. Die Luftroboter werden von einer neuen Klasse weicher Aktuatoren angetrieben, die es ihnen ermöglichen, den physischen Strapazen realer Flüge standzuhalten. Die Roboter könnten eines Tages Menschen unterstützen, indem sie Nutzpflanzen bestäuben oder Maschineninspektionen in engen Räumen durchführen.

Typischerweise benötigen Drohnen weite offene Räume, da sie weder wendig genug für enge Räume noch robust genug für Kollisionen in Menschenmengen sind. Sehr kleine Drohnen erfordern eine grundlegend andere Konstruktion als große. Große Drohnen werden meist von Motoren angetrieben, die an Effizienz verlieren, wenn sie schrumpfen. Für insekstengroße Drohnen war die Alternative der Einsatz kleiner, starrer Aktuatoren aus piezoelektrischen Keramikmaterialien. Zwar ermöglichten piezoelektrische Keramiken der ersten Generation winziger Roboter den Flug, doch sie sind ziemlich zerbrechlich. Und das ist ein Problem, wenn man einen Roboter baut, der ein Insekt nachahmen soll – futternde Hummeln erleiden etwa einmal pro Sekunde eine Kollision.

Das Team entwarf eine widerstandsfähigere winzige Drohne mit weichen Aktuatoren statt harter, zerbrechlicher. Die weichen Aktuatoren bestehen aus dünnen Gummizylindern, die mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet sind. Wird Spannung an die Kohlenstoffnanoröhren angelegt, erzeugen sie eine elektrostatische Kraft, die den Gummizylinder zusammendrückt und streckt. Wiederholte Dehnung und Kontraktion lassen die Flügel der Drohne fast 500 Mal pro Sekunde schlagen und verleihen der Drohne insektenähnliche Widerstandsfähigkeit. Die Drohnen können im Flug getroffen werden und sich erholen und auch aggressive Manöver wie Saltos in der Luft ausführen. Die Drohnen wiegen 0,6 g oder etwa die Masse einer großen Hummel. Die Drohne sieht aus wie eine winzige Kassette mit Flügeln, doch das Team arbeitet an einem neuen Prototyp in Libellenform.

Dank der inhärenten Nachgiebigkeit der weichen Aktuatoren kann der Roboter sicher in Hindernisse laufen, ohne den Flug stark zu beeinträchtigen. Diese Eigenschaft eignet sich gut für Flüge in unübersichtlichen, dynamischen Umgebungen und könnte für zahlreiche reale Anwendungen sehr nützlich sein. Ein entscheidender Schritt hin zu diesen Anwendungen wird das Loslösen der Roboter von einer kabelgebundenen Stromquelle sein, die derzeit aufgrund der hohen Betriebsspannung der Aktuatoren erforderlich ist.

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

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