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Micro-Roboter: Künstliche Insekten im Anflug

Von Frank Grotelüschen

Sie sollen Katastrophenopfer finden, Kraftwerke kontrollieren und als Spione ausschwärmen. Die ersten fliegenden Mini-Roboter sind bereits unterwegs. Das Ziel ihrer Schöpfer: Scharen künstlicher Insekten, die schlaue Teams bilden.

Gemessenen Schritts, bedächtig wie bei einer Himalaja-Expedition, steigt der Tross aus Wissenschaftlern die schmalen Serpentinen hinab. Dabei ist das Ziel nur eine Wiese am Fuß des Hügels gleich neben einem Kinderspielplatz. Dort will Roger Quinn seinen Inge-nieurskollegen die jüngste Erfindung vorführen: MALV, eine Art Modellflugzeug, das aussieht wie ein grellorangefarbenes Spielzeug, kaum größer als ein Papierflieger. Aus dem Bug ragen zwei sternförmige Räder aus gebogenem Draht. Damit soll das Ding nach der Landung über Stock und Stein holpern. Denn MALV ist mehr als ein Spielzeug. Es ist der Prototyp eines geländegängigen Roboters.

Die Demonstration aber scheitert kläglich. Kaum hat Quinn, Roboterforscher an der Case Western Reserve University in Cleveland/Ohio, seinen Schützling per Fernsteuerung in die Luft gebracht, beschreibt MALV eine scharfe Linkskurve, nimmt Kurs auf den Spielplatz und donnert in ein Klettergerüst – keine zwei Meter am Kopf eines Kindes vorbei. Dessen Mutter schaut grimmig. Quinn entschuldigt sich: "Ich hatte plötzlich keine Kontrolle mehr über den Flieger. Offenbar ist beim Start die Antenne abgerissen."

Derlei Rückschläge gehören zum Alltag in der Roboterszene. Aus der Fassung gerät dabei kaum einer, denn immer mehr Ingenieure glauben: Prozessoren, Sensoren und Mikromechanik seien mittlerweile derart fortgeschritten, dass man sich an die Konstruktion winziger Flugroboter wagen kann – manche kaum größer als Nachtfalter und Kakerlaken. In Zukunft sollen diese synthetischen Insekten allein oder in Scharen autonom durch die Lüfte schwirren und anspruchsvolle Aufgaben verrichten: Überlebende in Katastrophengebieten aufspüren, nach Umweltgiften fahnden, Kraftwerke überwachen oder als winzige Spione in den Dienst von Polizei und Militär treten.

Die Nachfrage ist groß. Und wie einst die Pioniere der Luftfahrt arbeiten die Forscher deshalb an ambitionierten Projekten. Noch sehen die meisten Prototypen aus wie aus einer Bastelstube von "Jugend forscht". Wenn sie überhaupt fliegen, dann meist torkelnd und unsicher, am Rande einer Bruchlandung: Pioniermaschinen, die an die ersten plumpen Fluggeräte von Otto Lilienthal und der Gebrüder Wright erinnern. Doch die Winzlinge haben Potenzial.

Relativ ausgereift zum Beispiel sind bereits erste Mini-Hubschrauber wie der "Quadrocopter" – ein tellergroßes Fluggerät mit vier nebeneinanderliegenden Rotoren, angetrieben von Elektromotoren. Ein winziger Chip an Bord erfasst die Daten diverser Lagesensoren und korrigiert binnen einer Millisekunde die Drehzahl der Rotorblätter – dadurch bleibt das Fluggerät stabil. Der Quadrocopter sei sogar "robuster als ein richtiger Hubschrauber", sagt Michael Achtelik von der TU München. "Man kann ihn in der Luft antappen und er stabilisiert sich von selbst."

Dies ist der eine Weg zum fliegenden Miniaturroboter der Zukunft: die Übersetzung bewährter Fluggeräte in kleinste Formate. Andere Forscher hingegen eifern den Insekten nach und versuchen, für die Miniaturisierung des Geräts die Flugtechniken der Natur zu kopieren – etwa das Schlagen mit winzigen Flügeln. Ihr Ziel sind künstliche Libellen, Roboterfliegen und mikromechanische Wanderheuschrecken. Nur auf diese Weise ließen sich kleinste Dimensionen und Flugfähigkeit miteinander vereinbaren, sagen Ingenieure.

Der Quadrocopter des Nachwuchsingenieurs Michael Achtelik ist daher vergleichsweise groß, wenn auch bereits viel geschickter als die ebenfalls recht große Maschine MALV des Amerikaners Roger Quinn. In Konferenzpausen lässt Achtelik den kleinen Hubschrauber gern mal ferngesteuert zwischen den Teilnehmern hin und her schwirren. Gelegentlich verharrt das Miniding dann seelenruhig vor einem Kaffee schlürfenden Experten und richtet eine Kamera auf ihn. Das umstehende Publikum applaudiert.

Eine nette Spielerei fürs Kinderzimmer? Nein, meint Achtelik, der Quadrocopter verspreche handfesten Nutzen: "Er eignet sich etwa für Luftaufnahmen oder die Inspektion von Gebäuden. Neulich haben wir sogar eine Anfrage von Tierforschern erhalten, ob man damit nicht auch Wale beobachten kann."

Nur für Missionen, auf die man noch kleinere Flugroboter schicken möchte, wären Quadrocopter ungeeignet. Aus Gründen der Aerodynamik lässt er sich nicht weiter miniaturisieren. Die Leistungen, die im Kleinstformat gefragt sind, müssen der Natur nachgeahmt werden – etwa dem Flügelspiel der Insekten. Die Sechsbeiner gelten als die raffiniertesten Flieger der Welt. Selbst eine simple Stubenfliege schafft Manöver, waghalsiger als bei jeder Luftfahrtschau. Pro Sekunde legt sie das 250-Fache ihrer Körperlänge zurück – viermal mehr als der schnellste Vogel. Sie ist ja auch wesentlich kleiner, aber denselben Fährnissen des Elements ausgesetzt.

"Relativ zu ihrer Größe zählen die Flugmuskeln einer Fliege zu den stärksten im Tierreich", sagt Michael Dickinson, Biologe am Caltech im kalifornischen Pasadena. "Diese Muskeln stauchen und strecken den Brustkorb der Fliege 200-mal pro Sekunde. Und damit schlagen auch die Flügel, die über Gelenke mit dem Brustkorb verbunden sind, 200-mal pro Sekunde auf und ab." Von seinen Kollegen wird Dickinson schlicht "The Fly Man" genannt, denn keiner weiß besser als er, wie Fliegen fliegen. Für die Manövrierfähigkeit sorgt ein ausgefeiltes Ensemble von Steuermuskeln, die an den Flügelgelenken befestigt sind. "Damit reguliert die Fliege die Flügelstellung", erklärt Dickinson. "Das erlaubt ihr rasante Starts, präzise Punktlandungen und extrem schnelle Wenden in der Luft."

Für die Roboterforscher ist genau diese Höchstleistung ein Ansporn. Und tatsächlich bewegt sich zum Beispiel "DelFly" schon recht elegant durch die Lüfte, eine künstliche Libelle, entwickelt an der Universität Delft. Sie besitzt zwei Flügelpaare, die 14-mal pro Sekunde auf und ab schlagen. Die durchsichtigen Flügel sind aus einer feinen, hochfesten Spezialfolie gefertigt, die von dünnen Kohlefaserstäben gehalten wird. Ein 1,6 Gramm wiegender Elektromotor treibt sie an. Die Energie kommt aus einer Lithium-Polymer-Batterie, die immerhin für 15 Minuten Vorwärtsflug reicht – und das auch noch mit einer Kamera an Bord.

"DelFly ist extrem einfach fernzusteuern", sagt Ingenieur David Lentink. "Selbst ein untrainierter Pilot wie ich beherrscht das im Nu." Die Roboterlibelle kann senkrecht starten, landen und wie ein Hubschrauber in der Luft schweben. "Doch ein Hubschrauber braucht viel mehr Elektronik, um sich in der Luft zu halten", sagt Lentink. Bislang flattert DelFly mit einer Flügelspannweite von 30 Zentimetern durch die Gegend. Die Konstrukteure arbeiten schon an einer Version mit zehn, später sogar fünf Zentimetern.

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Mini-Roboter: Fliegen, Wedeln oder Hüpfen


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