Bionische Roboter: fliegen wie Schmetterlinge

03.03.2025

Forscher haben flexible Roboterflügel entwickelt, die über Magnetfelder bewegt werden. Sie kommen ohne Elektronik und Batterien aus. Vorbild ist die flexible Flügelstruktur des Monarchfalters, eines Schmetterlings, der auf seinen Wanderungen von Nord- nach Südamerika jährlich tausende von Kilometern zurücklegt.

Für ihre Studie haben Forscher der TU Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf Roboterflügel aus einem flexiblen Kunststoff hergestellt, in denen magnetische Partikel eingebettet sind. Sie bewegen sich ganz von alleine, sobald ein äußeres Magnetfeld auf die Partikel einwirkt. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus aktiver Bewegung und passiver Biegung. Diese Bewegung imitiert die natürlichen Flugbewegungen des Monarchfalters, der sowohl durch aktive Flügelsteuerung als auch durch die passiven Eigenschaften seiner verformbaren Flügel fasziniert.

Zuvor untersuchten die Forscher die Morphologie, die Flügelsteifigkeit, die Flugmechanik und das Wanderverhalten des Schmetterlings, um die wichtigsten Voraussetzungen für seine Flugfähigkeiten zu verstehen. Ziel war es, leichte, flexible und energieeffiziente Flügel herzustellen, die ohne elektronische Komponenten oder Batterien auskommen.

Wie die Forscher berichten, nutzten sie dazu die 3D-Drucktechnologie. Auf diese Weise konnten sie eine Reihe von Flügeldesigns ausprobieren, darunter auch Modelle mit Adern, die den Flügelstrukturen des Monarchfalters nachempfunden sind. „Die größte Herausforderung bestand darin, ultradünne, flexible Strukturen zu drucken, die gleichzeitig robust genug sind, um den Belastungen standzuhalten“, berichtet Kilian Schäfer, einer der Autoren der Studie. Mit einer Kombination aus Finite-Elemente-Analysen und Experimenten gelang es schließlich, die optimale Struktur für maximale Anpassungsfähigkeit und Effizienz finden.

An Luftströmungen angepasst

„Die derzeitigen Flügel erfordern noch externe Magnetfelder, aber zukünftige Entwicklungen könnten miniaturisierte Magnetfeldgeneratoren integrieren, um autonome Bewegungen zu ermöglichen“, erklärt Muhammad Bilal Khan, Hauptautor der Studie. Deshalb untersucht das Team, mit welchen Modifikationen des Magnetfelds komplexe Bewegungen oder Flugrouten möglich sind.

Die neu entwickelten magnetischen Roboterflügel unterscheiden sich in mehreren Punkten von herkömmlichen Roboterflügeln: Diese nutzen meist mechanische Antriebe wie Elektromotoren oder Servos, die direkt mit den Flügeln verbunden sind. Die bioinischen Flügel dagegen passen sich aufgrund ihrer Flexibilität besser an Luftströmungen an. Außerdem sind sie leichter, was potenziell effizientere Flugmanöver ermöglicht. Konventionelle Roboterflügel sind aufgrund der erforderlichen Antriebskomponenten und Energiespeicher oft schwerer und steifer, was die Flugeigenschaften einschränken kann.

Die „geflügelten“ Roboter könnten beispielsweise zur Überwachung von Bestäuberpopulationen oder zur Messung der Luftqualität eingesetzt werden. Dank ihrer geringen Größe könnten sie auch in Katastrophengebieten zur Suche und Rettung von Menschen eingesetzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet für die Leichtgewichte wäre die minimalinvasive Chirurgie.