Kräftiger Mikroroboter mit Methanantrieb

Immer wieder präsentieren Forscherinnen und Forscher neue winzige Roboter. Oft nutzen sie einen piezoelektrischen Antrieb, der die Roboter mit elektrischen Spannungspulsen in Bewegung versetzt. Große Kräfte jedoch können sie nicht aufbringen. Einen deutlich stärkeren Antrieb präsentiert nun ein Forschungsteam in der Fachzeitschrift „Science“. Er basiert auf einer kleinen Brennkammer, bedeckt mit einer Kunststoffmembran. Diese Membran wölbt sich bei Zündung eines Methan-Sauerstoff-Gemischs sehr schnell und übt enorme Kräfte aus.

Einen ersten Prototyp entwickelte Cameron Aubin von der Cornell University gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen in einem 3D-Drucker. Aus einem schwer entflammbaren Harz fertigten sie so eine nur knapp einen Zentimeter durchmessende Brennkammer. An diese schlossen sie kleine Schläuche an, um ein Gasgemisch aus Methan und Sauerstoff einzuleiten. Über einen filigranen Draht gaben die Forschenden Hochspannungspulse von 800 bis 1200 Volt in die Brennkammer, um das Gasgemisch in schneller Folge wiederholt zu zünden.

Zündung des Gasgemischs setzt enorme Kräfte frei

Bei der Zündung dehnte sich die elastische Membran am Rand der Brennkammer innerhalb einer drittel bis halben Millisekunde aus. Über einen weiteren Schlauch konnten die Verbrennungsgase schnell wieder ausströmen, sodass sich die Brennkammer erneut mit einem Methan-Sauerstoff-Gemisch füllen ließ. Dieser Prozess ließ sich mühelos zehn- bis hundertmal pro Sekunde wiederholen.

Anschließend integrierten Aubin und sein Team das Modul in einen etwa zwei Zentimeter großen Roboter. Dieser verfügte über vier Füße aus je einer Brennkammer mit einer unten abschließenden Membran. Bei Zündung des Gasgemisches dehnten sich die Membranen schlagartig aus. Die Kraft, die dabei wirkte, betrug rund zehn Newton – genug, um den nur knapp zwei Gramm leichten Roboter bis zu 60 Zentimeter hoch springen zu lassen. Zudem reichte sie aus, um den Roboter eine 36 Gramm schwere Last tragen zu lassen. Das entspricht dem 22-fachen Eigengewicht des gesamten Roboters.

Im nächsten Schritt, so Aubin, gelte es nun, den Roboter ohne feste Anschlüsse zu konstruieren. Daher arbeitet er mit seinem Team an winzigen Methantanks und Hochspannungsquellen, damit sich das Gasgemisch auch ohne angeschlossene Drähte zünden lässt. So könnte der neuartige Antrieb zu einer neuen Klasse winziger Roboter führen, die deutlich kräftiger sind als bisherige.