Micro-Roboter: Künstliche Insekten im Anflug

Von Frank Grotelüschen

2. Teil: Roboter mit 250 Flügelschlägen pro Sekunde

Wesentlich weiter auf dem Weg in die Winzigkeit künftiger Flugroboter ist nur das "Micromechanical Flying Insect" der Universität Berkeley – ein Kunstinsekt von den Ausmaßen einer Schmeißfliege. "Es besteht aus einer dünnen Kohlefaserfolie", erklärt Projektleiter Ronald Fearing. "Zuerst schneidet ein Laser die Form aus, die wir dann unter dem Mikroskop zu zwei Flügeln und einem Körper falten." Die Kunststoffflügel schlagen 250-mal pro Sekunde, angetrieben von einem Mini-Motor, der auf einer piezoelektrischen Keramik basiert. Legt man an diese Keramik eine elektrische Spannung an, zieht sie sich zusammen, so ähnlich wie ein kontrahierender Muskel.

Die Forscher aus Berkeley haben es tatsächlich geschafft, ein solches Flügelpaar schweben zu lassen. Und im Frühjahr dieses Jahres konnte Robert Wood aus Harvard, ein ehemaliger Student Ronald Fearings, sogar eine komplette Kunstfliege zum Abheben bringen. Allerdings hing das Roboterinsekt dabei an Drähten, die es mit Energie versorgten. "Bis wir ein Insekt haben, das frei durch die Gegend fliegt, wird es noch ein paar Jahre dauern", meint Fearing. Das Problem ist nicht nur, die Fliege stabil in der Schwebe zu halten, sondern auch Akkus zu konstruieren, die nur ein Zwanzigstel Gramm schwer sind. "Aber im Prinzip dürfte es kein Problem sein, die künstliche Fliege als Massenprodukt zu fertigen", sagt Fearing. "Die Materialkosten liegen nur bei ein paar Cent."

Das Flügelschlagen ist allerdings nicht die einzige Methode, die sich Forscher aus dem Insektenreich abschauen. Manches Ungeziefer, darunter etwa die Wanderheuschrecke, springt in die Luft, um dann mit ausgestreckten Flügeln meterweit zu gleiten. "Damit kann man sich höchst effizient fortbewegen", sagt Mirko Kovac, Ingenieur an der ETH Lausanne. "Gleiten kostet auch weniger Energie als Flügelschlagen."

Kovac baut an einer Roboterschrecke, die zugleich sprung- und flugfähig ist. Der Hüpfmechanismus folgt dem Prinzip des Heuschreckenbeins: Ein winziger Motor spannt über ein Getriebe eine Feder, und die katapultiert das fünf Gramm wiegende Maschinchen in einem Schwung 1,40 Meter nach oben. Dort muss die Roboterschrecke dann möglichst schnell ihre Flügel entfalten. "Dazu sind sie wie bei der Fledermaus in drei Teile gefaltet", sagt Kovac. "Ein Draht zieht die Flügelspitzen zusammen und faltet sie wieder auf." Sprungmechanismus und Faltflügel will der Forscher nun zu einem kompletten Roboter kombinieren – handtellergroß und maximal zehn Gramm schwer. Lenken soll er mit einer Art künstlichem Muskel.

Noch müssen die meisten Kunstinsekten von ihren Erfindern ferngesteuert werden. Das Ziel jedoch sind Kleinstroboter, die sich autonom durch die Gegend manövrieren. Auch bei diesem Vorhaben lassen sich die Forscher durch Beispiele aus dem Tierreich inspirieren – unter ihnen der Wissenschaftler Jean-Christophe Zufferey von der ETH Lausanne. Sein zehn Gramm leichtes Kohlefaserflugzeug hat zwei Kameras an Bord, dazu Funksender, Gyroskop, Prozessor und Windmesser – alles im Mini-Format. Derart gerüstet, besitzt es das Wahrnehmungsvermögen einer Stubenfliege. "Auf einem so winzigen Flieger kann man keine GPS-Systeme oder Lasersensoren mitschleppen, das wäre zu schwer", sagt Zufferey. Also haben sich die Forscher angeschaut, wie sich Insekten in der Luft orientieren: Das Facettenauge der gemeinen Stubenfliege liefert kein deutliches Bild der Umgebung. Doch was sich bewegt, erfasst es präzise und schnell. Schwirrt das Tier auf eine Wand zu, merkt es, dass sich etwas im Bewegungsmuster verändert und wechselt die Richtung. "Ähnlich funktioniert auch die Kamera in unserem Flugzeug", erklärt Ingenieur Zufferey. "Sie nimmt keine Bilder auf, sondern registriert nur Bewegungen – und das äußerst schnell."

Zunächst soll der Mini-Flieger aus Lausanne lernen, durchs Zimmer zu schwirren, ohne gegen Wände und Boden zu donnern. Dazu bringt ihn Zufferey in das "Holodeck" – einen Raum mit quadratischen, weißen Wänden und völlig leer, bis auf einige Projektoren an der Decke. Diese werfen ein abstraktes Muster an alle vier Wände – schwarze und weiße Rechtecke, nach dem Zufallsprinzip platziert und so kontrastreich, dass das Auge schmerzt. Diesen extremen Kontrast brauchen die Kameras des Mikrofliegers, sonst würden sie die Wände nicht erkennen. Zufferey beugt sich über seinen Laptop im Holodeck. Auf dem Bildschirm lässt sich erkennen, wie der Roboter seine Umgebung wahrnimmt: als zwei schwarz-weiße Zeilen. Die Welt als Barcode. Bewegt sich etwas vor der Kamera, fängt der Barcode an zu tanzen.

Zufferey wirft seinen Mini-Flieger in die Luft und lässt ihn im Kreis herumschwirren. "Im Moment lenke ich ihn noch per Fernsteuerung. Doch jetzt …", der Forscher legt einen Schalter um, " … fliegt er völlig autonom." In der Tat: Beharrlich dreht der Roboter seine Runden – etwas wackelig zwar, aber ohne auf Kollisionskurs mit der Wand zu geraten. "Als Nächstes wollen wir ihm beibringen, sich in einem Raum mit Möbeln und Türen zurechtzufinden", sagt Zufferey. "In fünf Jahren haben wir hoffentlich einen Roboter, der in einem normalen Büro klarkommt."

Zwei Türen weiter sitzt Zuffereys Chef, Dario Floreano. Ihn fasziniert eine andere Spezialität aus der Insektenwelt – der Hang gewisser Spezies wie Bienen und Ameisen, sich zu Schwärmen zusammenzutun. Die Vorteile: Gemeinsam lässt sich leichter Nahrung aufspüren und vor Feinden Schutz finden. "Jede einzelne Einheit besitzt nur sehr eingeschränkte Fähigkeiten", erklärt Floreano. "Aber wenn viele Einheiten miteinander kooperieren, können sie auch komplexe Aufgaben erledigen, zum Beispiel einen meterhohen Termitenhügel errichten. Das ist für uns Roboterbauer hochinteressant."

Bislang versucht Floreano rein virtuell, viele kleine Flugroboter zu schlagkräftigen Schwärmen zu verbinden. In seiner Computersimulation kommunizieren die Winzlinge auf möglichst einfache Weise, etwa über Farbsignale. Das Ergebnis: "Wenn wir einen Schwarm von 20 Flugrobotern aussenden, um gemeinsam ein Ziel aufzuspüren, finden sie das Ziel tatsächlich schneller als ein einzelner Roboter", sagt Floreano. "Das klingt simpel, aber beweist: Roboter sind tatsächlich in der Lage, sich untereinander abzustimmen."

Bald möchte der Forscher seine Schwarmstrategien mit echten Robotern testen – mit Quadrocoptern, jenen tellergroßen Flugmaschinen mit vier Rotoren. Der Erfolg dieser Versuche dürfte essenziell sein für die Entwicklerszene. Denn die meisten Anwendungen, die den Ingenieuren vorschweben, setzen voraus, dass die Roboter in intelligenten, kommunikationsfähigen Schwärmen agieren. So arbeitet Floreanos Kollege Severin Leven an einer Rotte von Styroporfliegern, die autonom durch die Luft schweben und per Funk in ständigem Kontakt miteinander stehen. Die Idee: "Fällt bei einer Katastrophe die Handy- oder WLAN-Infrastruktur aus, könnte so ein Schwarm rasch ein mobiles Funknetz aufbauen, sodass man mit den Menschen im Katastrophengebiet Kontakt aufnehmen kann."

In anderen Visionen inspizieren künstliche Libellen Kraftwerke und Fabriken und stellen fest, ob an unzugänglichen Stellen Gift austritt. Nach einem Erdbeben könnten Roboterfliegen ausschwärmen, um in zusammengestürzten Häusern durch winzige Lücken im maroden Mauerwerk zu schlüpfen und nach Überlebenden zu suchen. Und bei der Europäischen Weltraumagentur ESA spielt man mit dem Gedanken, statt großer, anfälliger Raumsonden in Zukunft Schwärme von mechanischen Heuschrecken auf den Mars zu bringen.

Natürlich zeigt sich aber auch das Militär von den synthetischen Insekten fasziniert: Man wünscht sich unsichtbare Mini-Spione, mobile Giftgassensoren und flexible Kommunikationsplattformen. Deshalb stecken militärnahe Agenturen wie die amerikanische Darpa oder die schweizerische Armasuisse immer wieder Geld in die Projekte der Robotikforscher. Die ersten flüggen Miniaturroboter werden also vermutlich keine rein zivilen Dienste verrichten. Eine Aussicht, die Forscher wie Severin Leven in Kauf nehmen: "Wir sehen unsere Projekte ganz klar unter dem zivilen Aspekt. Doch leider ist nicht auszuschließen, dass die Technologie später auch für militärische Zwecke benutzt wird."

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