Roboterrochen mit Kunststoffmuskeln

Roboter, die weitestgehend autonom durch Seen und Meere schwimmen, könnten in Zukunft effizient Umweltdaten sammeln. Diese Anwendung im Blick entwickelten Wissenschaftler nun einen flexiblen Schwimmroboter nach dem Vorbild eines Rochens. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, erreichte der Prototyp mit flexiblen Flossen aus einem dielektrischen Kunststoff als Antrieb eine Geschwindigkeit von mehr als 13 Zentimetern pro Sekunde.

„Unser Prototyp ist robust und kann mit einer einzigen Akkuladung drei Stunden lang angetrieben werden“, berichten Tiefeng Li und seine Kollegen von der Zhejiang-Universität in Hangzhou. Den Rumpf ihres knapp zehn Zentimeter langen Schwimmroboters formten die Wissenschaftler aus einem flexiblen Silikongummi. Als Antrieb installierten sie keinen klassischen Elektromotor, sondern fertigten zwei flexible Flossen aus einem dielektrischen Elastomer. Zwei durchsichtige Elastomerschichten umschlossen dabei wie ein Sandwich einen mit einem Hydrogel gefüllten Innenraum.

RoboterrochenVideo des Roboterrochens
Video des Roboterrochens

Kurze Hochspannungspulse mit einer Spannung von bis zu 10 000 Volt führten zu einer Verformung der Elastomer-Hydrogel-Flosse. Ohne Stromfluss entspannte sich das Material und nahm wieder seine Ursprungsform an. So konnte der Roboterrochen bis zu fünfmal pro Sekunde kurz mit seinen flexiblen Flügeln schlagen und eine Spitzengeschwindigkeit von bis zu 13,5 Zentimetern pro Sekunde erreichen. Als Stromquelle diente eine mitgeführte Batterie. Dessen Spannung von 3,7 Volt reichte aus, um über eine kompakte Leistungselektronik die kurzen Hochspannungspulse zu erzeugen. Dank der geringen Leitfähigkeit des umgebenden Wassers kam es dennoch zu keinen Kurzschlüssen.

Der Roboterrochen ließ sich über eine Infrarotschnittstelle fernsteuern. Zum Manövrieren diente eine kleine Silikonheckflosse, deren Position sich über einen Elektromagneten kontrollieren ließ. Mit einer Akkuladung konnte sich der Prototyp etwas länger als drei Stunden kontrolliert fortbewegen. Längere Schwimmzeiten halten die Entwickler mit größeren Modellen für möglich. Doch schon heute soll die Effizienz dieses Systems nach Aussage von Li und seinen Kollegen mit der einer Regenbogenforelle vergleichbar sein.

Videoaufnahmen mit einer kleinen, auf dem Rücken des künstlichen Rochens montierten Kamera belegen, dass solche Roboter prinzipiell für das Sammeln von Bildern und Messdaten in Gewässern geeignet sind. Da sie sich relativ günstig fertigen lassen, könnten auf Expeditionen ganze Schwärme solcher Roboterrochen aus weichem, flexiblem Material eingesetzt werden. Damit ließe sich beispielsweise das Verhalten von Fischschwärmen aus direkter Nähe verfolgen.