Mini-Roboter hüpft wie Wasserläufer

Wasserläufer gehören unter der Vielzahl von Insekten zu den beliebtesten natürlichen Vorbildern für Roboterentwickler. Erste Prototypen konnten dank der Oberflächenspannung bereits über Wasseroberflächen gleiten. Wissenschaftler aus Südkorea gingen nun einen Schritt weiter. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie über ein Roboterinsekt, das sogar über das Wasser hüpfen konnte. Dank dieser Fortbewegung könnten sich in Zukunft Schwärme winziger Roboter effizienter fortbewegen und dabei – mit Sensoren bestückt – die Wasserqualität untersuchen oder zivile wie militärische Aufklärungsaufgaben übernehmen.

Wasserläufer aus Natur und Technik

„Normalerweise wird beim Springen eine große Kraft auf den Untergrund ausgeübt“, sagt Ho-Young Kim von der Seoul National University. Doch Wasserläufer in der Natur beherrschen das Kunststück, ihre Sprungkräfte beim Abstoßen mit den Beinen sehr gut einzuteilen. So überwinden sie niemals die Oberflächenspannung des Wassers und können dennoch einige Zentimeter hoch springen.

Kim und seine Kollegen untersuchten dieses Verhalten mit Hochgeschwindigkeitskameras. Auf Basis ihrer Beobachtungen konstruierten sie ein Roboterinsekt, dessen vier Beine niemals in das Wasser eintauchten. Mit einem Gewicht von nur 68 Milligramm wurde der künstliche Wasserläufer problemlos von der Oberflächenspannung gehalten. Doch um sich zum Sprung abstoßen zu können, war ein spezieller Antrieb notwendig, der mit langsam zunehmenden Kräften auf die Wasseroberfläche drückte.

Die Lösung war ein ausgeklügelter Katapultmechanismus mit einem künstlichen Muskel aus Nickeltitan-Gedächtnismetall. Wurde dieser Muskel über einen integrierten filigranen Heizdraht erwärmt, veränderte er schlagartig seine Form. Dabei bewegten sich alle vier Beine des Roboters aus einer zuvor fast waagerechten in eine senkrechte Position. Bei dieser Bewegung nahm der Druck auf die Wasseroberfläche stetig zu bis sich der Roboter von der Wasseroberfläche löste und gut 14 Zentimeter hoch hüpfen konnte. Die Oberflächenspannung des Wassers wurde dabei jedoch nie überwunden.

Dieser Prototyp konnte erstmals das Springen von Wasserläufern unter Ausnutzung der Oberflächenspannung imitieren. Damit steht Entwicklern von kleinen Robotern eine weitere Fortbewegungsart über das Wasser zur Verfügung. Doch vor einer Anwendung müsste ein effizienterer Antrieb – sei es mit Gedächtnismetall oder einer Feder – gefunden werden, der zahlreiche Sprünge in Folge ermöglicht. Auch Kim hat sich und seiner Arbeitsgruppe weitere Ziele gesteckt: „Wir wollen einen Roboter bauen, der sowohl schwimmen als auch auf Wasser hüpfen kann.