Ein flatternder Mikroroboter inspiriert von der Flügel-Dynamik von Nashornkäfern

4. August 2024 feature

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von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Die Flügeldynamik fliegender Tierarten hat zahlreiche fliegende robotische Systeme inspiriert. Während Vögel und Fledermäuse in der Regel ihre Flügel durch die Kraft ihrer Brust- und Flügelmuskeln schlagen, bleiben die Prozesse, die den Flügelbewegungen vieler Insekten zugrunde liegen, oft schlecht verstanden.

Forscher der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Schweiz) und der Konkuk University (Südkorea) machten sich kürzlich daran, zu erforschen, wie pflanzenfressende Insekten, die als Nashornkäfer bekannt sind, ihre Flügel ausfahren und einfahren. Die Erkenntnisse, die sie gesammelt haben, wurden in einem Artikel in Nature veröffentlicht und dann verwendet, um einen neuen schlagenden Mikroroboter zu entwickeln, der seine Flügel passiv ausfahren und einfahren kann, ohne aufwendige Aktuatoren zu benötigen.

"Insekten, einschließlich Käfer, werden theoretisch angenommen, um Brustmuskeln zu verwenden, um aktiv ihre Flügel an den Flügelbasen auszufahren und einzufahren, ähnlich wie Vögel und Fledermäuse", erklärte Hoang-Vu Phan, der Hauptautor des Artikels, gegenüber Tech Xplore. "Allerdings können Methoden zur Aufzeichnung oder Überwachung der Muskelaktivität immer noch nicht bestimmen, welche Muskeln Käfer verwenden, um ihre Flügel auszufahren oder einzufahren, noch erklären, wie sie dies tun."

Die Hinterflügel von Käfern ähneln faltbaren Origami-Strukturen, da sie ordentlich gefaltet und unter den Deckflügeln (einem verhärteten Vorderflügel, der typischerweise bei Käfern zu finden ist) verstaut werden, während sie ruhen, und dann passiv ausfahren, wenn sie fliegen. Viele frühere Studien, die die Dynamik von Käferflügeln in Robotern replizieren sollen, nutzten daher origamiähnliche Strukturen, ohne viel Aufmerksamkeit auf Bewegungen an der Basis der Hinterflügel zu legen.

"Diese Forschung baut auf meiner früheren Arbeit auf, die 2020 in Science veröffentlicht wurde, in der wir die stoßdämpfende Funktion der Hinterflügel von Nashornkäfern bei Zusammenstößen im Flug entdeckt haben", erklärte Phan. "Während der Experimente habe ich zufällig eine vollständige Zweiphasen-Flügelentfaltung eingefangen und mich gefragt, warum der Käfer ein so komplexes Verfahren verwendet, wenn es von aktiven Muskeln angetrieben wird."

In seinen früheren Untersuchungen von Nashornkäfern beobachtete Phan, dass diese Insekten ihre Deckflügel und schlagende Kräfte nutzen können, um ihre Hinterflügel passiv für den Flug auszufahren. Sobald ihr Flug beendet ist und sie auf einer Oberfläche landen, verwenden sie dann die Deckflügel, um die Hinterflügel auf ihren Körper zurückzuschieben. Beide Aktionen sind von passiver Natur, da sie keine Verwendung von Brustmuskeln beinhalten, die den Flug von Vögeln und Fledermäusen unterstützen.

"Durch die Implementierung dieses passiven Mechanismus in schlagenden Flügelrobotern haben wir erstmals gezeigt, dass im Gegensatz zu vorhandenen schlagenden Robotern, die ihre Flügel in einer vollständig ausgefahrenen Konfiguration fixiert halten, unser Roboter die Flügel entlang des Körpers falten kann, wenn er ruht und aktiv seine Flügel zum Abheben ausfahren und stabilen Flug aufrechterhalten kann", sagte Phan.

Die Forscher nutzten die Erkenntnisse, die sie aus ihrer Untersuchung von Nashornkäfern gewonnen hatten, um einen schlagenden Mikroroboter zu bauen, der 18 Gramm wiegt. Dieser Mikroroboter, der etwa zweimal so groß ist wie ein tatsächlicher Käfer, kann seine Flügel passiv ausfahren und einfahren.

"Aus Gründen der Einfachheit haben wir elastische Sehnen an den Achselhöhlen verwendet, die es dem Roboter ermöglichen, seine Flügel passiv zu schließen", sagte Phan. "Durch Aktivierung der Flügelbewegung kann der Roboter passiv seine Flügel zum Abheben ausfahren und stabilen Flug aufrechterhalten. Danach können die Flügel, indem man das Schlagen nach der Landung stoppt, schnell und passiv zurück zum Körper gezogen werden, ohne dass zusätzliche Aktuatoren benötigt werden."

Die jüngste Arbeit von Phan und seinen Kollegen enthüllte, dass die Mechanismen, die zugrunde liegen, wie Käfer ihre Hinterflügel ausfahren und einfahren, passiv sind und nicht auf Muskelbewegungen beruhen. Sie stellten dann eine machbare Strategie vor, um diese Mechanismen in Mikrorobotern zu reproduzieren, wodurch diese ihrer Ähnlichkeit zu Insekten erhöht wird.

"Unser Roboter mit faltbaren Flügeln kann für Such- und Rettungsmissionen in beengten Räumen eingesetzt werden", sagte Phan. "Zum Beispiel kann er in ein eingestürztes Gebäude eindringen, das Menschen nicht betreten können. Mit seinem winzigen Maßstab kann der Roboter in enge Räume fliegen. Wenn ein Flug nicht möglich ist, kann der Roboter landen oder sich auf jeder Oberfläche festsetzen und dann auf andere Fortbewegungsarten wie krabbeln umschalten."

Insbesondere wenn der Mikroroboter des Teams krabbelt, ruhen seine Flügel entlang seines Körpers, was das Risiko verringert, dass sie beschädigt werden, während gleichzeitig die Mobilität des Roboters in engen Räumen verbessert wird. Sobald er einen guten Platz zum Abheben findet, kann der Roboter einfach wieder seine Flügel ausstrecken und in den Flugmodus wechseln.

"Unser Flatterroboter könnte auch Biologen helfen, die Biomechanik des Insektenflugs zu untersuchen und als Spionageinsekten getarnt werden, um das Leben echter Insekten in Wäldern zu erkunden, für das herkömmliche Drehflügeldrohnen nicht geeignet sind", sagte Phan. "Darüber hinaus könnte der Flatterroboter zur Durchführung von Ingenieurforschung oder als Ingenieurspielzeug für Kinder verwendet werden, da seine niedrige Flatterfrequenz sehr sicher und benutzerfreundlich ist."

Bisher haben Phan und seine Kollegen die Leistung ihres Mikroroboters in einer Reihe von vorläufigen Tests bewertet, die vielversprechende Ergebnisse lieferten. In Zukunft könnte ihr Design weiter verbessert und in verschiedenen realen Szenarien getestet werden, um sein Potenzial weiter zu validieren.

"In zukünftigen Studien wäre es interessant zu untersuchen, ob andere Insekten, wie winzige Fliegen, ähnliche passive Strategien im Zusammenhang mit begrenzter Muskelverfügbarkeit verwenden", fügte Phan hinzu. "Wir zielen auch darauf ab, den wendigen Flug unseres Roboters zu verbessern und Bodenfortbewegungsfunktionen wie Rasten und Krabbeln zu implementieren, ähnlich wie bei seinen biologischen Gegenstücken."

Mehr Informationen: Hoang-Vu Phan et al, Passives Flügel aus- und einklappen bei Käfern und flatternden Mikrorobotern, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07755-9

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