Sehen Sie sich diesen weichen, lichtbetriebenen Schwimmroboter an

Einem Forscherteam ist es gelungen, einen Roboter auf Hydrogelbasis zu entwickeln, der auf eine Lichtquelle hin schwimmt.

Unterwasser Lichtquelle
Mithilfe einer Lichtquelle unter Wasser konnte ein besonderer Roboter eine Kurve passieren

Materialwissenschaftlern ist es gelungen, einen Roboter mit weichem Körper zu entwickeln, der durch Licht angetrieben und angezogen wird. Dieser Roboter ist in der Lage, eine direkte Lichtquelle zum Schwimmen zu nutzen, ohne dass ein Akkupack oder ein Stromseil benötigt wird.

Die in Science Robotics veröffentlichte Arbeit gibt einen Hinweis darauf, wie diese Art von Technologie für die zukünftige maritime Energiegewinnung und den Antrieb genutzt werden könnte.

Wie haben sie das erreicht?

Ein Team von Forschern der UCLA Samueli School of Engineering hat vor kurzem ihr neues Design für einen schwimmenden Roboter mit weichem Körper veröffentlicht. Der OsciBot genannte Roboter bewegt sich durch das Schwingen seines „Schwanzes“ und wird durch eine direkte Lichtquelle sowohl angetrieben als auch gesteuert.

Das Team glaubt, dass ihr neues Design in der Zukunft einige interessante Anwendungen haben könnte. Es könnte zum Beispiel Möglichkeiten für neue Designs von Meeresrobotern, medizinischen Behandlungen und autonomen Schiffen eröffnen.

Der Roboter wurde von einem natürlichen Phänomen namens Phototaxis inspiriert. Einige Lebewesen in der Natur, wie Quallen oder Motten, haben diese Tendenz, sich in Richtung einer Lichtquelle zu bewegen.

OsciBot
Die Wissenschaftler konnten den Roboter durch eine Kurve bringen, indem sie die Lichtquelle änderten

„OsciBot demonstriert, dass die Bewegung durch Oszillation direkt [durch] konstantes Licht angetrieben werden kann, anstatt sich auf Lichtenergie zu verlassen, die geerntet und in einer Batterie gespeichert wurde. Er besteht vollständig aus einem weichen Material, einem sogenannten Hydrogel, das aufquillt, wenn es in Wasser gelegt wird, und das auf Licht reagiert. Das Gerät benötigt keine Batterien und muss auch nicht an eine andere Stromquelle angeschlossen werden“, heißt es in der Pressemitteilung.

Mit Licht das Hydrogel zum Tanzen bringen

Um ihren neuen, lichtliebenden Roboter mit weichem Körper zu schaffen, musste das Team zunächst eine Möglichkeit entwickeln, ein Objekt als Reaktion auf eine konstante Energiequelle in Schwingung zu versetzen.

Dazu bauten sie zunächst einen 2 Zentimeter langen, flexiblen Zylinder aus Hydrogel und verankerten ihn auf dem Boden eines Wassertanks. Sie fanden heraus, dass, wenn ein Lichtstrahl auf den Zylinder gerichtet wurde, dieser sich tatsächlich etwa 66 Mal pro Minute bewegte.

Erstaunlich war auch, dass sich der Zylinder bei Bewegung der Lichtquelle tatsächlich nach links, rechts, oben oder unten verbog.

Indem sie die Länge und Dicke des Zylinders veränderten, konnten sie auch die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der sich der Zylinder bewegte. Darauf aufbauend verwendete das Team das gleiche Hydrogel, um einen rechteckigen, surfbrettförmigen Roboter mit einem verlängerten Unterwasserschwanz zu bauen (wie im ersten Video oben zu sehen).

Im Presseartikel der UCLA heißt es: „Wenn das Licht eines Lasers auf einen Punkt am Schwanz trifft, erwärmt sich dieser Punkt. Der leichte Temperaturanstieg bewirkt, dass dieser Teil des Roboters einen Teil seines Wassers ausstößt und im Volumen schrumpft, was den Schwanz in Richtung der Lichtquelle bewegt. Nachdem er sich nach oben bewegt hat, erzeugt der Schwanz einen Schatten, der den Bereich abkühlt, an dem der Laser ursprünglich mit dem Roboter in Kontakt kam, was dazu führt, dass sich der Schwanz wieder nach unten bewegt.“

Solange das Licht auf das Ziel trifft, kann dieser Vorgang unendlich oft wiederholt werden. Durch weitere Experimente fand das Team heraus, dass sie den Schwanz etwa 35 Mal pro Minute flattern lassen konnten.

Das reichte nach ihrer Schätzung aus, um den Roboter pro Minute um das 1,15-fache seiner Körperlänge zu bewegen.

Ximin He, ein UCLA-Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen und der Hauptautor der Studie, erklärte, dass „die Erzeugung von Oszillation typischerweise auf intermittierendem Energieeintrag beruht, wie z. B. gepulstem Licht oder elektrischem Wechselstrom .“

„Im Gegensatz dazu zeigt diese Studie einen neuen Weg zur Erzeugung von Oszillation, indem sie einen konstanten Energieeintrag nutzt, der leicht aus der Umgebung zugänglich und kostengünstig zu nutzen ist“, fügte er hinzu.

Genau wie bei dem festen Zylinder in früheren Experimenten konnten sie den Roboter durch eine Neupositionierung der Lichtquelle zum Lenken bringen. Er könnte sogar um eine Kurve gelenkt werden.

„Dies ist wirklich eine grundlegende Demonstration, dass direktes und konstantes Licht die Bewegung antreiben und bestimmen kann“, sagte Yusen Zhao, der Hauptautor der Studie.

„Das könnte ein Schritt in Richtung einer Vielzahl von Roboterdesigns sein, die ungebunden sind und nur durch das verfügbare Licht in ihrer Umgebung angetrieben werden, anstatt sich auf schwere Batterien oder Stromkabel zu verlassen“, fügte Zhao hinzu.

Welche Anwendungen könnte dies in der realen Welt haben?

Theoretisch könnte das Design skaliert werden, um neue Formen von Unterwasser-Antriebssystemen zu ermöglichen. Es könnte sogar Anwendungen für Windsegel haben, die Sonnenlicht zum Manövrieren nutzen.

In kleinerem Maßstab könnte diese Technologie für einige medizinische Präzisionsverfahren eingesetzt werden. Natürlich müsste auch hier eine direkte Lichtquelle in den Körper des Patienten eingeführt werden, um dies praktikabel zu machen.

„Das Schöne an dem gel-basierten Foto-Oszillator ist seine Einfachheit im Design“, erklärt Zhao. „Das Zusammenspiel zwischen dem ‚intelligenten‘ weichen Material und dem Umgebungs licht ermöglichte seine selbstregulierte Bewegung.“

Zhao deutete sogar an, dass die Technologie für die Energieerzeugung angepasst werden könnte – zum Beispiel für akustische Wellen oder elektronische/magnetische Signale.