150 µg leichter Mikroflieger hebt allein mit Schall ab
150 µg schwer und ohne Motor an Bord: EPFL-Forschende lassen einen Mikroflieger mit Ultraschall abheben. Resonatoren erzeugen den nötigen Schub.
Winzige Resonatoren verwandeln Ultraschall in Schub: Ein 150-µg-Mikroflieger hebt ohne Motor ab, ein zweiter Rotor erreicht 13.000 U/min.
Kein Motor, keine Batterie und keine Leistungselektronik an Bord: Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben einen nur 150 µg schweren Mikroflieger entwickelt, der sich mithilfe von Schall anheben kann. Die dafür nötige Energie liefert eine externe Ultraschallquelle. Winzige Resonatoren im Flugkörper wandeln die akustische Anregung in gerichtete Luftstrahlen und damit in Schub um.
Eine zweite, 184 µg leichte Konstruktion treibt mit demselben Prinzip einen Rotor an – mit bis zu 13.000 U/min. Die Arbeit ist am 14. August 2026 in Science Advances erschienen.
Inhaltsverzeichnis
Kleine Hohlräume verwandeln Schall in Schub
Das physikalische Prinzip lässt sich an einer Flasche beobachten: Bläst man über ihre Öffnung, gerät die eingeschlossene Luft bei einer bestimmten Frequenz besonders stark in Schwingung. Physiker sprechen von einer Helmholtz-Resonanz.
Genau solche Resonatoren haben die Forschenden stark verkleinert und für ihre Mikroflugkörper angepasst. Trifft Schall mit der passenden Frequenz auf den Hohlraum, beginnt die darin eingeschlossene Luft kräftig zu oszillieren.
Entscheidend ist die Geometrie der Öffnung. Beim Ausströmen verlässt die Luft den Resonator als konzentrierter Jet. Beim Einströmen wird sie dagegen aus einem größeren Bereich angesaugt. Dadurch entsteht im zeitlichen Mittel ein gerichteter Impuls.
Der Resonator übernimmt damit mehrere Aufgaben gleichzeitig: Er nimmt akustische Energie auf, reagiert selektiv auf eine bestimmte Frequenz und erzeugt daraus Schub. Ein Elektromotor ist dafür nicht nötig.
Drei Resonatoren heben 150 µg an
Für den leichtesten Flugkörper nutzte das Team ein 3D-Nanodruckverfahren. In die nur 150 µg schwere Polymerstruktur integrierten die Forschenden drei mikroskopische Resonatoren. Sie sind auf eine Frequenz von 40 kHz abgestimmt – Ultraschall, den Menschen nicht hören können. Die erzeugten Luftstrahlen sind nach unten gerichtet und liefern den nötigen Auftrieb.
Im Versuch erreichte der gesamte Mikroflieger ein Schub-Gewichts-Verhältnis von 4,9. Die drei Resonatoren erzeugten zusammen also deutlich mehr Schub, als zum bloßen Anheben der Struktur erforderlich war.
Allerdings handelte es sich noch nicht um einen frei steuerbaren Mikrodrohnenflug. Bei der Charakterisierung begrenzte eine Führung die seitliche Bewegung und stabilisierte damit den vertikalen Aufstieg. Nachgewiesen ist also, dass der Mikroflieger mit akustisch erzeugtem Schub gegen die Schwerkraft abheben kann. Frei durch den Raum manövrieren konnte er noch nicht.
Zweiter Mikroflieger erreicht 13.000 U/min
Bei einer zweiten Konstruktion nutzten die Forschenden den akustisch erzeugten Schub nicht direkt zum Aufsteigen. Stattdessen trieben die Resonatoren einen Rotor an. Der komplette Flugkörper wiegt 184 µg. Seine Rotorblätter erreichten Geschwindigkeiten von bis zu 13.000 U/min und erzeugten wie bei einem Hubschrauber aerodynamischen Auftrieb.
Im Experiment stieg die Struktur zunächst auf rund 12 mm Höhe. Anschließend sank sie etwas ab und stabilisierte sich bei ungefähr 7 mm. Damit zeigt die Arbeit zwei unterschiedliche Konzepte: Akustische Resonatoren können unmittelbar Schub erzeugen oder zunächst eine Rotationsbewegung antreiben, aus der anschließend Auftrieb entsteht.
Unterschiedliche Tonhöhen übernehmen die Steuerung
Wie sich mehrere Resonatoren gezielt ansprechen lassen, demonstrierte das Team zusätzlich mit zentimetergroßen Miniaturbooten.
Dort waren mehrere Resonatoren auf unterschiedliche hörbare Frequenzen abgestimmt und in verschiedene Richtungen orientiert. Wechselten die Forschenden die Frequenz der externen Schallquelle, wurde jeweils ein anderer Resonator aktiviert. So konnten die Boote vorwärtsfahren oder ihre Richtung ändern.
Die Resonanzfrequenz übernimmt dabei praktisch die Auswahl des jeweiligen Aktors. Für diese Auswahl selbst braucht es weder einen Funkempfänger noch eine elektronische Motorsteuerung im Resonator.
Bei einem automatisierten Navigationsversuch war allerdings zusätzlich ein Mikrocontroller an Bord. Die Experimente zeigen daher nicht, dass sämtliche denkbaren Steuerungsaufgaben ohne Elektronik auskommen. Elektronikfrei ist vor allem die eigentliche akustische Aktuation.
Keine Batterie an Bord aber auch kein energieautarkes System
Der entscheidende Haken des Konzepts liegt außerhalb des Flugkörpers: Die Energie kommt aus einer externen Schallquelle. Der Mikroflieger trägt zwar keine Batterie und keinen Elektromotor, benötigt aber ein ausreichend starkes akustisches Feld. Das System ist deshalb nicht energieautark.
Auch über die Gesamtenergieeffizienz im Vergleich zu klassischen elektrischen Mikroantrieben sagt die Arbeit bislang wenig aus. Ein Teil der von außen abgestrahlten Schallenergie erreicht den winzigen Resonator gar nicht.
Der Vorteil liegt an anderer Stelle: Bei sehr kleinen Robotern werden Motoren, Getriebe, Kabel und elektronische Leistungskomponenten schnell zum Problem. Ein Resonator besteht dagegen im Wesentlichen aus einem passend geformten Hohlraum und lässt sich extrem klein fertigen.
Interessant vor allem für extrem kleine Roboter
Die Forschenden sehen Potenzial für noch kleinere Systeme und für Strukturen, in denen mehrere unterschiedlich abgestimmte Resonatoren zusammenarbeiten.
Denkbar wären etwa flexible Mikroroboter, deren einzelne Bereiche abhängig von der eingestrahlten Frequenz bewegt oder verformt werden. Ein Schallfeld könnte dann mehrere mechanische Funktionen getrennt ansprechen, ohne dass für jeden Aktor eine eigene elektrische Zuleitung nötig wäre.
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