Miniroboter fliegen mit Schall

Die EPFL-Forschenden fertigten die winzigen "Microfliers" per 3-D-Nanodruck. Schallwellen versetzen ihre Rotorblätter in Bewegung. (Source: EPFL)

Die EPFL-Forschenden fertigten die winzigen "Microfliers" per 3-D-Nanodruck. Schallwellen versetzen ihre Rotorblätter in Bewegung. (Source: EPFL)

Wer über den Hals einer Flasche bläst, erzeugt nicht nur einen Ton, sondern demonstriert auch die sogenannte Helmholtz-Resonanz. Sie entsteht, wenn Luft über eine Öffnung strömt und dadurch die in einem Hohlraum - etwa einer Glasflasche - eingeschlossene Luft zum Schwingen bringt. Bei bestimmten Frequenzen verstärken sich diese Schwingungen und erzeugen den charakteristischen Brummton.

Forschende des "MicroBioRobotic Systems" (Microbs) Lab der EPFL School of Engineering haben sich die Physik hinter diesem Phänomen nun zunutze gemacht. Sie entwickelten hohle Strukturen, die als winzige, durch Schall angetriebene Maschinen funktionieren. Die Forschenden veröffentlichten ihre Arbeit im Fachjournal "Science Advances".

"Anstatt Geräte mit Schallwellen herumzuschieben, haben wir akustische Resonatoren entwickelt, die auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind und den Schall nutzen, um gerichteten Schub und kontrollierte Bewegungen zu erzeugen", sagt Laborleiter Selman Sakar. "Unsere Arbeit zeigt, dass sich ein einfaches, geschickt konstruiertes mechanisches Bauteil in robotische Materie verwandeln lässt."

Miniaturboote und Mikrodrohnen

Bisherige Ansätze nutzten Schallwellen unter anderem dazu, passive Objekte in der Luft schweben zu lassen. Das EPFL-Team entwickelte hingegen Geräte, die Schall in eine eigene Antriebskraft umwandeln. Den Kern der Entwicklung bilden hohle, runde oder glockenförmige Strukturen, sogenannte Kavitäten.

Treffen Schallwellen auf die Luft in diesen Hohlräumen, beginnt sie zu schwingen. Dabei strömt die Luft als gebündelter Strahl aus dem Hohlraum, während die einströmende Luft stärker verteilt ist. Dieses Ungleichgewicht erzeugt Schub, der kleine Fahrzeuge antreiben kann. Die schallbetriebenen Hohlräume lassen sich aus unterschiedlichen Materialien fertigen, darunter gängige Kunststoffe für den 3-D-Druck, gummiartige Polymere und Glas.

Im Zentimeterbereich bauten die Forschenden Miniaturboote mit bis zu drei Hohlräumen. Jeder davon ist auf eine andere hörbare Frequenz abgestimmt und so ausgerichtet, dass er das Boot in eine bestimmte Richtung bewegt. Indem die Forschenden die Frequenz der von einem Lautsprecher ausgesendeten Schallwellen änderten, konnten sie einzelne Hohlräume gezielt aktivieren. So bewegten sie die Boote, steuerten sie um Hindernisse und programmierten sie sogar für die autonome Navigation.

Mit einem 3-D-Nanodruckverfahren stellte das Team zudem sogenannte "Microfliers" her: ultraleichte Fluggeräte mit drei mikroskopisch kleinen Hohlräumen, die direkt in ihre Polymerstruktur integriert sind. Anders als die Boote arbeiten die Fluggeräte mit Ultraschallfrequenzen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind.

Eines der Modelle wiegt lediglich 150 Mikrogramm und erzeugt mit seinen Hohlräumen direkten Aufwärtsschub - ähnlich wie eine Rakete. Bei einem weiteren Modell kombinierten die Forschenden die Hohlräume mit winzigen Rotorblättern. Diese drehen sich mit bis zu 13'000 Umdrehungen pro Minute und erzeugen einen stabilen aerodynamischen Auftrieb ähnlich dem eines Helikopters.

Roboter, die auf Schall reagieren

Da die Geräte statt Motoren, Getrieben oder magnetischen Komponenten lediglich Hohlräume benötigen, lassen sie sich mit verschiedenen 3-D-Druckverfahren besonders klein und leicht herstellen.

"Unser Konzept eignet sich für eine noch stärkere Miniaturisierung und ermöglicht damit fortschrittliche Konstruktionen, die die Grenzen der Robotik und Luftfahrt verschieben", sagt Erstautor und Microbs-Doktorand Junsun Hwang.

Künftig könnten die Forschenden laut Sakar mehrere schallreaktive Strukturen in ein einziges flexibles Gerät integrieren und jede davon auf eine andere Schallfrequenz abstimmen. "Dadurch könnten sich bestimmte Teile des Geräts bewegen, biegen oder vibrieren. Dies könnte zu aerodynamischen Robotern führen, die ihre Form als Reaktion auf Schall verändern können", sagt Sakar.

Diese News ist zuerst auf der Website der "EPFL" erschienen.