Insekten-Roboter springen genauso gut ab wie echte Wasserläufer
Ein Team aus südkoreanischen und US-amerikanischen Wissenschaftlern hat Insekten-Roboter gebaut, die übers Wasser hüpfen können. Sie nutzen die Oberflächenspannung, um sich mit ihren dünnen, langen Beinen von der Wasseroberfläche abzudrücken und springen bis zu 14 cm hoch. Ihren Bauplan haben sich ihre Erfinder bei Wasserläufern abgeschaut.
Wasserläufer und Roboter auf einer Wasserfläche: Ingenieuren der Universitäten Harvard und Seoul ist es gelungen, künstliche Wasserläufer zu bauen, die sich wie die Vorbilder aus der Natur vom Wasser abstoßen können ohne zu versinken.
Foto: Harvard University/Staatliche Universität Seoul
Die 68 mg leichten Mini-Roboter, die Wissenschaftler der Staatlichen Universität in Seoul (SNU) und der Bostoner Harvard Universität für den Einsatz in der Umweltbeobachtung entwickelt haben, sehen ihren natürlichen Vorbildern ziemlich ähnlich. Wie bei Wasserläufern bilden vier lange, dünne Beine von oben gesehen ein X mit dem kleinen Körper in der Mitte.
Beim Roboter ist der Körper etwa 2 cm lang, besteht aus dünnen Materialschichten und könnte zum Beispiel mit Sensoren zur Überwachung der Wasserqualität bestückt werden. Die Beine bestehen aus dünnem Draht und sind mit wasserabweisendem Material beschichtet. Wie beim Wasserläufer sind sie am Ende gebogen und liegen auf der Wasseroberfläche auf.
Roboter können abspringen ohne einzusinken
Dass die Oberflächenspannung des Wassers die leichten Insekten aufgrund ihres Bauplans trägt, ist nichts Neues. Doch wie kann es sei, dass ein Wasserläufer sich von der Wasseroberfläche abdrückt und hüpft, ohne beim Absprung einzusinken? Um diese Frage zu beantworten, filmten die Wissenschaftler die Bewegung von Wasserläufern beim Sprung mit Hochgeschwindigkeitskameras.
Die Sprungbewegungen der Wasserläufer haben die Ingenieure mit einer Hochleistungskamera beobachtet, um eine entsprechende Mechanik nachbauen zu können.
Quelle: Harvard University/Staatliche Universität Seoul
Wie sie beobachten konnten, drückt sich der Wasserläufer mit einer speziellen Drehbewegung der Beine von der Wasseroberfläche ab, drückt sie dabei auch bis zu einer bestimmten Tiefe ein, bricht aber niemals durch. Er bewegt die gebogenen Beinenden über die Wasseroberfläche aufeinander zu, um dann emporzuschnellen.
Dabei übt er gerade so viel Kraft Druck auf die Wasseroberfläche aus, dass er nicht einsinkt. Seine Bewegung müsse eine bestimmte Geschwindigkeit und eine angemessene Dauer haben, erklärt einer der Autoren der Studie, über die die Wissenschaftler im Fachmagazin Science berichten. Alle diese Faktoren beherrsche der Wasserläufer perfekt.
Springen wie ein Floh
Mit der Trial-and-Error-Methode tüftelten die Wissenschaftler aufgrund ihrer Beobachtungen den Bewegungsablauf für ihr springendes Roboter-Insekt aus. Das Team fand heraus, dass die Beine während der Absprungbewegung so lange wie möglich Kontakt zur Wasseroberfläche haben müssen. Aufgrund der entwickelten Mechanik kann das Roboter-Insekt das 16-fache seines Körpergewichts auf die Wasseroberfläche pressen ohne einzusinken. Damit sich der Roboter abstoßen kann, entwickelten die Wissenschaftler einen Katapult-Mechanismus, den sie sich ebenfalls in der Natur abgeschaut haben: Sie imitierten die Muskelbewegung eines Flohs beim Sprung.
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