Künstliche Schmetterlinge: Seltene Erden verleihen Flügel

Neues Design könnte zur Überwachung der Umwelt, für Rettungseinsätze und vieles mehr eingesetzt werden.

Permanentmagneten mit Seltenen Erden sind vor allem für ihren Einsatz in Elektromotoren, Windkraftanlagen und Unterhaltungselektronik bekannt. Daneben kristallisiert sich auch die Robotik als immer wichtigeres Anwendungsfeld heraus. Eine innovative Erfindung in diesem Bereich hat nun ein Forschungsteam der Technischen Universität (TU) Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf vorgestellt: Flexible Roboterflügel, die nicht durch Elektronik oder Batterien bewegt werden, sondern ähnlich wie Schmetterlingsflügel auf aerodynamische Kräfte reagieren und sich daran anpassen können. Möglich wird dies durch Magnetfelder. Als Inspiration diente der Monarchfalter, der für seine herausragende Ausdauer und Anpassungsfähigkeit bekannt ist und jährlich tausende Kilometer zurücklegt, schreibt die TU Darmstadt. Der Schlüssel zu dieser Leistung seien die Flügel der Insekten, die durch eine Kombination aus aktiver Bewegung und passiver Biegung eine besondere energieeffiziente Fortbewegung in der Luft ermöglichen.

Mit diesem natürlichen Vorbild vor Augen stellten die Wissenschaftler Flügel aus einem flexiblen Kunststoff her. Eingebettet wurden magnetische Partikel des Werkstoffs Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), der auch die Basis für die stärksten bekannten Seltenerd-Dauermagneten bildet. Externe Magnetfelder, ebenfalls ausgehend von einem NdFeB-Magneten, bringen diese Partikel dazu, sich zu bewegen. Dadurch biegen sich die Flügel und imitieren die Bewegungen des Schmetterlingsflugs. Künftig könnten miniaturisierte Magnetfeldgeneratoren sogar in die Flugapparate integriert werden, um autonome Bewegungen zu ermöglichen.

Die größte Herausforderung: Ein zugleich flexibles und robustes Design

Mithilfe des 3D-Drucks wurden zunächst zwölf verschiedene Flügeldesigns produziert, einige davon mit Strukturen, die den natürlichen Flügeladern der Monarchfalter nachempfunden waren. Durch verschiedene Analysen und Experimente wurde anschließend geprüft, wie die Muster sich auf Beweglichkeit und Effizienz der Flügel auswirken. Als größte Herausforderung nennt Hauptautor Kilian Schäfer das Drucken von ultradünnen und biegsamen Strukturen, die zugleich robust genug sind, um Belastungen standzuhalten. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Advanced Intelligent Systems veröffentlicht und zeigen, dass größere Flügel mit Aderstrukturen diese Anforderungen am besten erfüllen.

3D-gedruckte magnetische Schmetterlinge: Die Roboterflügel, die von der Effizienz und Anpassungsfähigkeit der Flügel des Monarchfalters inspiriert sind, ermöglichen präzise Bewegungen ohne Elektronik oder Batterien. Photo: TU Darmstadt/Killian Schäfer

Den Forschern zufolge sind vielfältige Einsatzgebiete für ihre Erfindung denkbar. Im Bereich Umwelt und Landwirtschaft etwa könnten „beflügelte“ Roboter Populationen wichtiger Bestäuber wie Honigbienen oder die Luftqualität überwachen. Ideal wären sie auch, um in schwer zugänglichen Katastrophengebieten nach Menschen zu suchen, da die Flügel ein kleines und energieeffizientes Design ermöglichen. Der neue Ansatz ließe sich auch für andere Gestalt-verändernde und leichtgewichtige Roboter nutzen, die zum Beispiel in der minimalinvasiven Chirurgie präzise steuerbare Bewegungen ausführen.

Bis dahin brauche es jedoch weitere Forschung, auch die Flügel müssten noch optimiert werden, erklärt der zweite Hauptautor Muhammad Bilal Khan. Neben integrierten Magnetfeldgeneratoren gilt das Interesse der Forscher auch der Frage, wie die Steuerung von Bewegung und Flugrouten durch Modifikationen im Magnetfeld möglich werden können.  

Mehr Innovation in der Robotik: Bereits vor zwei Jahren berichteten wir über einen Roboter, der zwischen fester und flüssiger Form wechseln kann. Der Schlüssel sind auch hier Magnetfelder, ebenso wie das Technologiemetall Gallium, das sich bei knapp unter 30 Grad verflüssigen kann. Wie bei den magnetischen Schmetterlingsflügeln sind viele Anwendungsgebiete denkbar, von Operationen und Medikamentengabe bis hin zu Reparaturen unter schwierigen Bedingungen.

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