UC Santa Barbaras 30-Meter-Springroboter stellt neuen Höhenrekord auf

Ein mechanischer Jumper, entwickelt von UC Santa Barbara Engineering-Professor Elliot Hawkes und Kollaborateuren, erreicht die größte Höhe – rund 100 Fuß (30 Meter) – eines Jumpers bislang, ob ingenieurtechnisch oder biologisch. Die Leistung repräsentiert einen frischen Ansatz zum Design von Sprungvorrichtungen und erweitert das Verständnis von Sprüngen als Fortbewegungsform.

„Die Motivation kam aus einer wissenschaftlichen Frage“, sagte Hawkes, der als Robotiker die vielen möglichen Methoden verstehen will, wie eine Maschine ihre Umgebung navigieren kann. „Wir wollten die Limits von ingenieurtechnischen Jumpern verstehen.“ Während es jahrhundertelange Studien zu biologischen Jumpern (uns im Tierreich) und jahrzehntelange Forschung zu meist bio-inspirierten mechanischen Jumpern gibt, sagte er, wurden die beiden Untersuchungslinien etwas getrennt gehalten. „Es gab noch keine Studie, die beide vergleicht und kontrastiert und wie ihre Limits unterschiedlich sind – ob ingenieurtechnische Jumpern wirklich den gleichen Gesetzen unterliegen wie biologische“, sagte er.

Biologische vs. ingenieurtechnische Limits

Biologische Systeme dienten lange als erste und beste Modelle für Fortbewegung, besonders für Sprünge, definiert als „Bewegung, erzeugt durch Kräfte, die der Jumper auf den Boden ausübt, bei konstanter Masse.“ Viele ingenieurtechnische Jumper fokussierten auf Duplizierung evolutionärer Designs – mit großem Effekt.

Aber die Elemente, die einen Sprung in biologischen Systemen erzeugen, können für ingenieurtechnische Systeme limitierend sein, sagte Charles Xiao, Ph.D.-Kandidat in Hawkes' Labor.

„Biologische Systeme können nur mit so viel Energie springen, wie sie in einem einzelnen Muskelhub produzieren können“, sagte Xiao. Damit ist das System in der Energiemenge limitiert, die es für das Abstoßen des Körpers aufbringen kann, und der Jumper kann nur so hoch springen.

Für ingenieurtechnische Jumper dachten die Forscher, es gäbe einen Weg, die verfügbare Energie zu erhöhen.

Sie nutzen Motoren, die ratchet oder rotieren, um viele Hübe zu machen und die in ihrer Feder gespeicherte Energiemenge zu multiplizieren. Die Forscher nannten diese Fähigkeit „Work Multiplication“, die in ingenieurtechnischen Jumpern aller Formen und Größen zu finden ist.

„Dieser Unterschied in der Energieproduktion zwischen biologischen und ingenieurtechnischen Jumpern bedeutet, dass die beiden sehr unterschiedliche Designs haben sollten, um Sprunghöhe zu maximieren“, sagte Xiao. Tiere sollten eine kleine Feder haben – nur genug für die relativ kleine Energie ihres einzelnen Muskelhubs – und große Muskelmasse. Im Gegensatz dazu sollten ingenieurtechnische Jumper so große Federn wie möglich und einen winzigen Motor haben.“

Die Forscher nutzten diese Insights und designeten einen Jumper, der ganz anders als biologische Jumper ist – das Verhältnis seiner Federgröße zum Motor ist fast 100x größer als bei Tieren. Weiterhin entwickelten sie eine neue Feder, um Energiespeicher pro Einheitsmasse zu maximieren. In ihrer hybriden Spannungs-Druck-Feder werden Carbon-Faser-Druckbögen komprimiert, während Gummibänder durch Ziehen einer um einen motorgetriebenen Spindel gewickelten Leine gestreckt werden. Das Team fand, dass das Verbinden der nach außen gebogenen Kanten der Bögen quer über die Mitte mit Gummi unter Spannung auch die Festigkeit der Feder verbessert.

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

Der Jumper ist leicht designed, mit minimalistischem Latch-Mechanismus für Energie-Freigabe und aerodynamisch, mit Beinen, die sich einfalten, um Luftwiderstand während des Flugs zu minimieren. Insgesamt erlauben diese Designfeatures Beschleunigung von 0 auf 60 mph in 9 Millisekunden – eine Beschleunigungskraft von 315g – und Erreichen der ca. 100-Fuß-Höhe in den Demonstrationen. Für motorgetriebene Jumper ist dies „nahe der machbaren Grenze der Sprunghöhe mit aktuell verfügbaren Materialien“, laut Studie.

Dieses Design und die Fähigkeit, die durch biologische Designs gesetzten Limits zu überschreiten, bereitet die Bühne für Neuerfindung des Sprungens als effiziente Maschinenfortbewegung. Springende Roboter könnten Orte erreichen, wo aktuell nur fliegende Roboter hinkommen.

Die Vorteile wären noch ausgeprägter abseits der Erde. Springende Roboter könnten effizient über Mond oder Planeten reisen, ohne Oberflächenhindernisse, während sie auch Features und Perspektiven erreichen, die terrainbasierte Roboter nicht erreichen können.

„Wir berechneten, dass das Gerät auf dem Mond 125 Meter Höhe überwinden könnte, während es einen halben Kilometer vorwärts springt“, sagte Hawkes, und wies darauf hin, dass die Mondgravitation 1/6 der Erdgravitation beträgt und es praktisch keinen Luftwiderstand gibt. „Das wäre ein riesiger Sprung für ingenieurtechnische Jumper.“

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