Ein feenhafter Roboter fliegt mit der Kraft von Wind und Licht

Die Entwicklung stimulierend reagierender Polymere hat eine Fülle von materialbezogenen Möglichkeiten für kleine, drahtlos gesteuerte Weichkörperroboter der nächsten Generation eröffnet. Seit einiger Zeit wissen Ingenieure, wie sie diese Materialien nutzen können, um kleine Roboter zu bauen, die gehen, schwimmen und springen können. Bislang ist es jedoch noch niemandem gelungen, sie zum Fliegen zu bringen.

Forscher der Gruppe für Lichtroboter an der Universität Tampere erforschen nun, wie man intelligentes Material zum Fliegen bringen kann. Hao Zeng, Academy Research Fellow und Leiter der Gruppe, und Jianfeng Yang, Doktorand, haben ein neues Design für ihr Projekt namens FAIRY — Flying Aero-robots based on Light Responsive Materials Assembly — entwickelt. Sie haben einen Roboter aus Polymeren entwickelt, der durch Wind fliegt und durch Licht gesteuert wird.

“Im Gegensatz zu seinen natürlichen Vorbildern ist dieser künstliche Samen mit einem weichen Antrieb ausgestattet. Der Aktuator besteht aus einem lichtempfindlichen flüssigkristallinen Elastomer, das bei Anregung durch sichtbares Licht ein Öffnen oder Schließen der Borsten bewirkt”, erklärt Hao Zeng.

Die künstliche Fee wird durch Licht gesteuert

Die von Zeng und Yang entwickelte künstliche Fee weist mehrere biomimetische Eigenschaften auf. Aufgrund ihrer hohen Porosität (0,95) und ihres geringen Gewichts (1,2 mg) kann sie leicht in der Luft schweben und vom Wind gesteuert werden. Darüber hinaus ermöglicht die stabile Erzeugung eines separaten Wirbelrings eine windunterstützte Fortbewegung über große Entfernungen.

“Die Fee kann durch eine Lichtquelle, wie z. B. einen Laserstrahl oder eine LED, angetrieben und gesteuert werden”, sagt Zeng.

Das bedeutet, dass die Form der winzigen, Löwenzahnsamen-ähnlichen Struktur durch Licht verändert werden kann. Die Fee kann sich manuell an die Windrichtung und ‑stärke anpassen, indem sie ihre Form verändert. Ein Lichtstrahl kann auch dazu verwendet werden, die Start- und Landevorgänge dieser Polymeranordnung zu steuern.

Reaktionsfähige Polymere ermöglichen die Schaffung künstlicher, autonom funktionierender Strukturen. Bei Dunkelheit und ruhigem Wetter bleibt die Fee still. Wenn genügend Licht vorhanden ist, öffnet sich die Struktur automatisch und ermöglicht das Fliegen im Windstrom.

Potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft

Als Nächstes werden sich die Forscher auf die Verbesserung der Materialempfindlichkeit konzentrieren, um den Betrieb des Geräts bei Sonnenlicht zu ermöglichen. Darüber hinaus werden sie die Struktur so vergrößern, dass sie mikroelektronische Geräte wie GPS und Sensoren sowie biochemische Verbindungen tragen kann.

Laut Zeng gibt es ein Potenzial für noch wichtigere Anwendungen. ​“Es klingt wie Science-Fiction, aber die Proof-of-Concept-Experimente im Rahmen unserer Forschung zeigen, dass der von uns entwickelte Roboter einen wichtigen Schritt in Richtung realistischer Anwendungen für die künstliche Bestäubung darstellt”, erklärt er.

In Zukunft könnten Millionen von künstlichen Löwenzahnsamen mit Pollen durch natürliche Winde frei verteilt und dann durch Licht in bestimmte Gebiete mit Bäumen gelenkt werden, die auf Bestäubung warten.

​“Dies hätte enorme Auswirkungen auf die Landwirtschaft weltweit, da der Verlust von Bestäubern aufgrund der globalen Erwärmung zu einer ernsten Bedrohung für die biologische Vielfalt und die Nahrungsmittelproduktion geworden ist”, sagt Zeng.

Viele Fragen müssen noch beantwortet werden

Allerdings müssen zunächst noch viele Probleme gelöst werden. Wie lässt sich zum Beispiel der Landeplatz präzise steuern? Wie lassen sich die Geräte wiederverwenden und biologisch abbaubar machen? Diese Fragen erfordern eine enge Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern und Forschern im Bereich der Mikrorobotik.

Das FAIRY-Projekt begann im September 2021 und wird bis August 2026 laufen. Es wird von der Finnischen Akademie finanziert. Der fliegende Roboter wird in Zusammenarbeit mit Dr. Wenqi Hu vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (Deutschland) und Dr. Hang Zhang von der Aalto-Universität erforscht.