Unterwasserroboter mit Licht steuern

Wissenschaftler haben einen gelartigen Roboter entwickelt, der sich ohne äußeren Antrieb unter Wasser fortbewegt und mit Licht steuern lässt. Die Idee kam aus der Natur.

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Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Ein Roboter, der sich unter Wasser frei bewegen kann, ist nicht einfach zu konstruieren. Ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der finnischen Universität Tampere ist das jetzt gelungen, indem sie ein Material eingesetzt haben, das noch nie in der Konstruktion von Soft-Robotern Einsatz fand: Der Snail-o-Bot ist aus lichtempfindlichen Flüssigkristallgelen (LCGs).

Wasserschnecken als Vorbild

Die meisten der bekannten weichen Materialien lassen sich unter Wasser nur schwer kontrolliert verformen und effizient betätigen. Bei der Suche nach einem passenden Material ließen sich die Forscher von der Natur inspirieren: „Wir haben verschiedene Tiere untersucht, die sich im Wasser leicht bewegen können“, erklärt Hamed Shahsavan, ein Post-Doktorand in der Abteilung für Physische Intelligenz.

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„Die Tiere, die sich sehr gut in Flüssigkeit fortbewegen können, sind die, die einen sehr weichen und gelartigen Körper haben. Unsere Heldin war die Spanische Tänzerin, die sich sowohl auf dem Meeresgrund bewegen als auch frei schwimmen kann. Aber auch andere wirbellose, weiche Tiere haben uns inspiriert, wie zum Beispiel Schnecken.“

Roboter kriecht, läuft, springt und schwimmt unter Licht

Ein gelartiger Körper als Hauptanforderung – bald einigte man sich auf LCGs als Baumaterial, da sie mit mehreren Vorteilen verbunden sind. Erstens reagieren sie auf Licht. Damit kann Snail-o-Bot ohne Antriebs-, Sensor- und Betätigungskomponenten an Bord bewegt werden. Auch mit wenig Energie kann der Roboter verschiedene Fortbewegungsarten ausführen.

Der zweite Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung der Gelmoleküle in einem bestimmten Muster die Gesamtkonstruktion von nur wenigen Millimetern ihre Form verändern kann, wenn Licht bestimmte Teile des Roboters beleuchtet. Wegen dieser gezielten Ausrichtung der Gelmoleküle sprechen die Forscher von „programmierbarer Formveränderung“.

Sobald das lichtempfindliche, schlaffe, gummibandähnliche Material Licht ausgesetzt wird, kann es schnelle und reversible Formveränderungen durchführen: es kann kriechen, laufen, springen und schwimmen. Das liegt daran, dass LCGs ihre Dichte bei Lichteinwirkung um 7 bis 8 Prozent reduzieren. Durch Licht werden die einzelnen LCGs also leichter und schwimmen nach oben. Durch den Auftrieb der beleuchteten Teile und durch das Ein- und Ausschalten des Lichts in bestimmten Zeitabständen wird der Roboter photothermisch betätigt.

Weiche Roboter für die Medizin

Vorteil des kleinen Roboters: Er hat einen geringen Energiebedarf (20- bis 30-mal weniger Energie als Nicht-Gel-Konstruktionen, so die Forscher) und die Formveränderung kann aufgrund der molekularen Ausrichtung vorprogrammiert werden. Shahsavan erklärt: „Damit stellen wir eine Lösung vor, um weiche Materialien unter Wasser schnell, effizient und kontrolliert fernzusteuern und zu bewegen. Wir hoffen, andere Robotiker damit inspirieren zu können, die so wie wir versuchen, kabellose und weiche Roboter zu entwerfen, die sich in Flüssigkeit frei bewegen können".

Softroboter sind vor allem in der minimal-invasiven, roboter-gestützen Medizin und der Biotechnik gefragt. Hier könnte auch der Snail-o-Bot eines Tages Einsatz finden. Doch dazu müssen die Forscher noch weiterentwickeln: „In Zukunft versuchen wir, dieses Material mit anderen Energiequellen als Licht zu betätigen, da Licht von außen nicht durch den menschlichen Körper eindringen kann.Wir hoffen, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, unsere weiche Konstruktion so klein zu machen, dass wir sie mit Nahinfrarot Licht, akustischen Wellen, elektrischen oder magnetischen Feldern durch den Körper bewegen und steuern können.“

Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit „Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels“ in den Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS im Februar 2020.

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Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Partnerportal Elektrotechnik erschienen.

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