Redox-Flow-Blutkreislauf: Forscher entwickeln frei schwimmenden Robo-Fisch

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Cornell University

Freie, nicht kabelgebundene Roboter leiden unter einem Ausdauer-Problem: Herkömmliche Batterien haben eine kurze Lebensdauer. Amerikanische Forscher haben nun eine mögliche Lösung präsentiert: In ihrem Robo-Fisch laufen elektrochemische Prozesse ab, die durch einen künstlichen Blutkreislauf zirkulieren und somit den Softrobot antreiben.

Komplexe biologische Organismen wie der Mensch verfügen streng genommen über hochintegrierte Systeme, die ihre Funktion ermöglichen. Der Mensch speichert die Energie, die er benötigt, in Fettreserven, die sich über den ganzen Körper verteilen. Um seinen reibungslosen „Betrieb“ zu ermöglichen, sorgt ein komplexes Herz-Kreislaufsystem dafür, dass Billionen von lebenden Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffe versorgt werden.

Bei einem freien, nicht kabelgebundenen Roboter sieht die Angelegenheit deutlich anders aus. Hier sind die Bereiche in der Regel viel stärker segmentiert: Er benötigt eine solide starre Batterie für die Stromversorgung an einer Stelle, an einer anderen Stelle befinden sich die Motoren und Aktoren, die zum Teil noch eigene Kühlsysteme und andere Komponenten benötigen. All diese Bauteile sind über den gesamten Körper des Roboters verteilt. Gerade die Stromversorgung bereitet hier oft Kopfzerbrechen: Sie erhöht das Gewicht signifikant, ihr starrer Block schränkt die Flexibilität deutlich ein, und die Laufzeit ist in der Regel sehr eingeschränkt.

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Ein hochintegriertes, einem natürlichen Blutkreislauf nachempfundenes System

Forscher der Cornell-University in Ithaca, New York, und der University of Pennsylvania in Philadelphia haben nun eine mögliche Lösung für dieses Problem präsentiert: Ihr einem Rotfeuerfisch nachempfundener, kabelloser Roboter verfügt über ein synthetisches Gefäßsystem geschaffen, das in der Lage ist, eine energiegeladene Hydraulikflüssigkeit durch den Körper zu pumpen. Es laufen elektrochemische Prozesse nach dem Prinzip einer Redox-Flow-Batterie ab, die für die Stromversorgung sorgen. In dem hydraulischen, integrierten System nach Vorbild eines biologischem Herz-Kreislauf-Systems wird somit nicht nur Energie gespeichert und Kraft übertragen, es werden auch die zur Fortbewegung nötigen Gliedmaßen bedient.

„In der Natur sehen wir, wie lange Organismen selbst bei anspruchsvollen Aufgaben arbeiten können. Roboter können nicht sehr lange ähnliche Leistungen erbringen“, sagt Rob Shepherd, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik bei Cornell „Unser von der Biologie inspirierter Ansatz kann die Energiedichte des Systems drastisch erhöhen und es gleichzeitig ermöglichen, dass Softroboter viel länger mobil bleiben.“ Shepherd ist Direktor des Organic Robotics Lab der Cornell University und Senior-Autor der zugehörigen Studie, die die Forscher im Fachmagazin Nature veröffentlicht haben.

Statt Blutkörperchen werden Katholyten gepumpt

Aktuell verwenden Ingenieure als Stromversorgung für mobile Geräte überwiegend Lithium-Ionen-Batterien, da diese über eine relativ hohe Energiedichte verfügen. Aber starre Batterien schränken die Flexibilität der Geräte und mögliche Designs ein. Forscher erkunden daher zunehmend das mögliche Potential sogenannter Redox-Flow-Batterien. Diese basieren auf einer festen Anode und einem hochlöslichen Katholyten. Die gelösten Komponenten speichern Energie, bis diese durch eine chemische Reduktions- und Oxidationsreaktion – auch Redoxreaktion genannt – freigesetzt wird.

Die Forscher hatten die Idee, das Redox-Flow-Konzept in einem sogenannten Soft-Roboter einzusetzen. Ein solcher Roboter besteht aus Silikon und wird überwiegend per Hydraulik durch Flüssigkeiten angetrieben, die durch seinen Körper gepumpt werden. Dieselbe Flüssigkeit könnte nicht nur für den Antrieb, sondern auch zum Speichern von Energie verwenden werden.

Getestet wurde die Idee in einem etwa 40 cm langen, aus Silikon gefertigten Robo-Fisch, der einem Rotfeuerfisch nachempfunden ist. Solche Löwenfische verwenden wallende, fächerförmige Flossen, mit denen er durch Korallenriff-Umgebungen gleiten kann. Der Softrobot verfügt außen über eine Silikonhaut, die Innenseite besteht überwiegend aus flexiblen Elektroden und einer Ionen-Separatormembran, was ihm eine hohe Flexibilität verleiht. Die einzigen starren Komponenten sind ein Arduino-Board, dass über einen Mikrocontroller und Bluetooth-Konnektivität verfügt, sowie zwei Pumpen für die Hydraulik, um die Flossen zu kontrollieren. Zusammengeschaltete Zink-Ionen-Flussbatterien versorgen Bordpumpen und Elektronik durch elektrochemische Reaktionen mit Energie. Nach Angaben der Forscher erreichten sie erreichten damit eine Energiedichte von Γ ≈ 322 W h l⁻¹, was etwa der Hälfte einer in einem Tesla Model S verbauten Lithium-Ionen-Batterie entspricht (Γ = 676 W h l⁻¹).

Der Roboter schwimmt mit der Energie, die durch das Pumpen der Redox-Flow-Batterie auf die Flossenelemente übertragen wird. Der für die Studie entwickelte Prototyp lieferte genügend Energie, um den Robo-Fisch mehr als 36 Stunden gegen die Strömung schwimmen zu lassen. Um die oft bemängelten geringen Leistungsdichten und Betriebsspannungen von Redox-Flow-Batterien auszugleichen, haben die Forscher mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet und die Leistungsdichte optimiert, indem die Elektroden durch den gesamten Bereich der Flossen verteilt wurden.

Das Konzept eröffne nach Aussage von Shepherd neue Möglichkeiten in der Forschung und im Unterwasser-Einsatz von Robotern. Gerade Unterwasser böte sich der Einsatz von Soft-Robotern besonders an, da diese vom Auftrieb profitieren könnten und kein Exoskelett oder Endoskelett benötigen, um ihre Struktur zu erhalten. Durch die Entwicklung von Energiequellen, die Robotern die Möglichkeit geben, über längere Zeiträume zu funktionieren, glaubt Shepherd, dass autonome Roboter bald die Ozeane der Erde auf wichtigen wissenschaftlichen Missionen und für sensible Umweltaufgaben wie die Probenahme von Korallenriffen durchstreifen könnten.

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