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Alkohol als Energiequelle: So wollen Forscher Miniroboter effektiv antreiben

  • An ihre natürlichen Vorbilder reichen insektenähnliche Roboter noch nicht heran.
  • Neue Ideen haben Forscher aus Kalifornien nun für die Energieversorgung.
  • Sie wollen den Alkohol Methanol nutzen, um käferartige Roboter anzutreiben.
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Kleine Roboter könnten in vielen Situationen zum Einsatz kommen, bei denen Menschen oder größere Geräte nicht geeignet sind. Bei der Inspektion von Bauwerken zum Beispiel, der Suche nach Verschütteten oder beim Umweltmonitoring etwa. Doch bisher gebe es keinen weniger als ein Gramm wiegenden Roboter, der vollkommen autonom sämtliche Schritte einer komplexen, für Menschen schwer zu bewältigenden oder nützlichen Aufgabe erledigen könne, schreiben Forscher um Néstor Pérez-Arancibia von der University of Southern California in Los Angeles im Fachjournal “Science Robotics”.

Die Größe stellt bei der Energieversorgung eine Herausforderung dar

Die Vision, komplett autonome künstliche Insekten zu schaffen, könne erst Wirklichkeit werden, wenn verschiedene seit Langem bestehende Schwierigkeiten überwunden seien. Ein wesentliches Problem für Miniaturrobotik: In einer Größenordnung von Milli- oder Mikrometern lassen sich Roboter nur unzulänglich mit eigener Energieversorgung, Rechenkapazität oder Sensorik ausstatten.

Fortschritte bei der Energieversorgung haben nun zwei amerikanische Forschergruppen erzielt. Das Team um Pérez-Arancibia nutzt den Alkohol Methanol, um einen käferartigen Roboter anzutreiben. Nicholas Kotov von der University of Michigan in Ann Arbor und seine Kollegen verwenden hochfeste Fasern und ein wasserbasiertes Polymergel, um die Leistung von Zink-Luft-Batterien erheblich zu erhöhen. Beide Gruppen stellen ihre Ergebnisse in “Science Robotics” vor.

Alkohol hat eine hohe Energiedichte

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“Die Einschränkungen von Batterien nach dem Stand der Technik werden deutlich, wenn ihre spezifischen Energien und/oder nachhaltigen Leistungsabgaben mit denen des von Insekten verstoffwechselten Fettes verglichen werden”, schreiben Pérez-Arancibia und sein Team. So betrage die Energiedichte von Fett 38 Megajoule pro Kilogramm, während es bei der besten verfügbaren Lithium-Ionen-Batterie im Zentimeterbereich nur 1,8 Megajoule pro Kilogramm seien. Die Forscher suchten daher nach einer Antriebsmöglichkeit mit einer höheren Energiedichte.

Der von ihnen entwickelte käferähnliche Mikroroboter namens Robeetle verwendet Methanol mit 20 Megajoule pro Kilogramm, könnte aber auch andere Substanzen mit hoher Energiedichte nutzen. Robeetle ist 20 Millimeter lang und wiegt 88 Milligramm, mit vollem Tank 183 Milligramm. Er hat zwei bewegliche Vorder- und zwei starre Hinterbeine. Ein “künstlicher Muskel” in Gestalt einer Formgedächtnislegierung und eine katalytische Verbrennung von Methanoldampf treiben Robeetle an.

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Es gibt immer noch Verbesserungsmöglichkeiten

Weil Methanol bei Zimmertemperatur verdunstet, steigen dessen Dämpfe aus kleinen Öffnungen auf der Oberseite des Rumpfes auf. Dort treffen sie auf kleine Platinpartikel, die als Katalysator für die flammenlose Verbrennung des Methanoldampfes wirken. Die Verbrennung erhitzt den Formgedächtnisdraht, auf dem die Platinpartikel sitzen, und der Draht zieht sich zusammen. Dadurch werden über eine Blattfeder die Vorderbeine von Robeetle nach vorn bewegt. Gleichzeitig schließen sich die Tanköffnungen, sodass kein Methanoldampf mehr ausströmt. Die Verbrennung stoppt, der Draht kühlt ab und kehrt zu seiner ursprünglichen Länge zurück – und mit ihm die Vorderbeine in ihre ursprüngliche Position. Dann beginnt der Zyklus von vorn.

“Obwohl Robeetle ein aufregender Meilenstein für Mikroroboter ist, gibt es Verbesserungsmöglichkeiten”, schreiben Ryan Truby und Shuguang Li vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge in einem Kommentar in “Science Robotics”. So sei Robeetle mit 0,76 Millimetern pro Sekunde deutlich langsamer als andere Roboter vergleichbarer Größe und könne sich nur geradeaus bewegen. Auch das Wiederbefüllen des Tanks und die Kommunikation mit Robeetle seien noch ungelöste Probleme.

Batterien nehmen häufig zu viel Platz ein

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Auf eine höhere Energiedichte des Energieträgers für den Antrieb von Robotern zielt auch die Forschung der Gruppe um Kotov ab. Die Wissenschaftler setzen dabei jedoch auf einen elektrischen Antrieb und die Verbesserung der Zink-Luft-Batterie. Dabei ließen sie sich vom Aufbau von Knorpel mit stützenden Fasern und weichem Gewebe inspirieren. Aramide, wie sie ähnlich auch in kugelsicheren Westen zum Einsatz kommen, nahmen die Forscher in Form von Nanofasern zum Stützen. Die weiche Substanz, in der auch der Elektronentransport zwischen der Elektrode (einer Zinkfolie) und der Luft hinter einer Membran stattfindet, besteht aus einem speziellen Kunststoff.

“Roboterkonstruktionen werden durch den Bedarf an Batterien eingeschränkt, die häufig 20 Prozent oder mehr des verfügbaren Platzes in einem Roboter einnehmen”, erklärt Kotov. Die von ihm und seinen Kollegen entwickelte Batterie ist sehr biegsam und kann verteilt auf die verschiedensten Regionen des Roboterkörpers eingesetzt werden. Wegen der hohen Energiedichte kann die Batterie auch bei kleinen Robotern verwendet werden, wie die Forscher zeigen konnten. Nach ihren Angaben ist die Leistung ihrer Batterie 72-mal so groß wie die einer Lithium-Ionen-Batterie mit demselben Volumen.

Roboter mit eigenem Antrieb in Zukunft möglich

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Die zugrunde liegende Technologie habe das Potenzial, strukturelle Komponenten nicht nur in der Robotik, sondern auch in Elektrofahrzeugen zu ersetzen – mit Massen- und Volumeneinsparungen als Folge, erläutern Jodie Lutkenhaus und Paraskevi Flouda von der Texas A&M University in College Station in einem Kommentar zur Studie. Die von Kotov und Kollegen vorgestellten Konzepte beeinflussten nicht nur die Zukunft der Zink-Luft-Batterien, sondern auch die Energiespeicherung in Strukturmaterialien im Allgemeinen.

Im Februar hatten Forscher vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart einen schnellen, frei beweglichen Mikroroboter vorgestellt, der durch Ultraschall bewegt wird. Er könne in Flüssigkeiten gleiten, Ladung transportieren und womöglich einmal bei minimalinvasiven medizinischen Behandlungen Verwendung finden, hieß es. Auch zahlreiche andere Forschergruppen arbeiten daran, irgendwann einmal Mikroroboter mit eigenem Antrieb durch den Körper schicken zu können, um Substanzen wie Medikamente und winzige Objekte zu transportieren.

RND/dpa

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