Flach, flink, faszinierend: Ein neuer Mini-Schwimmroboter kommt von einem Schweizer Forscherteam
Der Mini-Schwimmroboter besitzt einen Flossenantrieb. Inspiriert wurde er von maritimen Plattwürmern.
Ein Team von Wissenschaftlern der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI IS) hat einen neuen Schwimmroboter entwickelt. Dieser wurde in der Studie «Highly agile flat swimming robot» in der Fachzeitschrift Science Robotics vorgestellt.
Das System basiert auf elektrohydraulischen Aktuatoren. Dies sind Bauteile oder Systeme, die eine Steuer- oder Antriebsfunktion in technischen Geräten übernehmen. Der Roboter zeichnet sich durch seine hohe Agilität und flache Bauweise aus und könnte die Erforschung und Überwachung von Gewässern verbessern.
Aufgrund seiner kompakten Bauweise und der hohen Beweglichkeit könnte der Schwimmroboter in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. In der Umweltüberwachung wäre eine Anwendung zur Messung von Wasserparametern oder zur Beobachtung von aquatischen Ökosystemen denkbar. Darüber hinaus könnten kleine, wendige Schwimmroboter für Inspektionsaufgaben in industriellen Anlagen genutzt werden.
Funktionsweise und technologische Grundlagen
Der Schwimmroboter hat eine kompakte Bauweise mit einer Länge von 45 Millimetern und einer Breite von 55 Millimetern. Er nutzt elektrohydraulische Aktuatoren zur Fortbewegung im Wasser. Diese Aktuatoren erzeugen oszillierende Bewegungen, die eine wellenartige Verformung der flexiblen Flossen ermöglichen und somit Vortrieb erzeugen.
Quelle: EPFL
Die Konstruktion besteht aus festen und flüssigen dielektrischen Materialien (elektrisch nicht leitende Stoffe), die in Kombination mit Hochspannungssteuerung eine präzise Anpassung der Bewegungen erlauben. Die Forscher untersuchten die Effizienz der Bewegung, insbesondere die Beziehung zwischen Aktuationsfrequenz, Flossenamplitude und erzeugtem Schub.
Basics der Forschungsanalyse
Die Analyse der Schwimmbewegung basiert unter anderem auf dem Strouhal-Parameter, der die Effizienz von wellenartigen Fortbewegungsmustern beschreibt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das System eine effektive Kraftübertragung erreicht. Zudem untersuchten die Wissenschaftler den Energieverbrauch der Aktuatoren und optimierten die Betriebsfrequenz, um einen möglichst geringen Leistungsbedarf zu erzielen.
Für die Stromversorgung wurden sowohl kabelgebundene als auch autonome Varianten des Roboters getestet. Erste Experimente mit einer integrierten Energiequelle zeigten Potenzial für längere Betriebszeiten, während zusätzliche Energieeinsparungen durch Anpassungen der Bewegungsdynamik möglich wären.
Deep Dive in die Ergebnisse des Experiments
In den Experimenten erreichte der Roboter unter optimalen Betriebsbedingungen mit einer Spannung von 1,7 Kilovolt und einer Frequenz von 40 Hertz eine maximale Schwimmgeschwindigkeit von 11,9 Zentimeter pro Sekunde. Dieser Wert wurde jedoch im tethered mode (mit externer Stromversorgung) erzielt. Im autonomen Betrieb (untethered mode) lag die maximale Schwimmgeschwindigkeit hingegen bei 5,14 Zentimeter pro Sekunde.
Quelle: EPFL
Die Untersuchung der Fortbewegung ergab, dass die optimale Frequenz für maximalen Schub bei 38,3 Hertz liegt, was mit der gemessenen Höchstgeschwindigkeit nahe 40 Hertz übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine maximale Rotationsgeschwindigkeit von 195 Grad pro Sekunde bestimmt.
Weiterentwicklung und Ausblick
Die Forscher der EPFL und des MPI IS planen, das Konzept weiterzuentwickeln. Mögliche Optimierungen betreffen unter anderem die Energieversorgung und die Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen. Perspektivisch könnte der Roboter durch zusätzliche Sensoren erweitert oder für spezifische Anwendungen modifiziert werden.
Titelbild: EPFL
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