Wandkletterroboter

Forscher haben einen Roboter entwickelt, der mit einer Geschwindigkeit von sechs Zentimetern pro Sekunde eine spiegelglatte Wand hoch und an die Decke fahren kann. Der Roboter verwendet derzeit einen trockenen Elastomer-Kleber, aber die Forschergruppe testet eine neue geckoartige, ultraklebrige Faser an seinen Füßen, die ihn bis zu fünfmal klebriger machen soll.

Klettern an den Wänden: Wenn sich der Motor des Roboters dreht, drückt sein Schwanz gegen die Oberfläche und seine dreieckigen Beine drehen sich nach vorne (a). Wenn seine Vorderfüße die Oberfläche berühren, drückt das Motordrehmoment, das durch den Kontakt des Hecks mit der Oberfläche entsteht, die Vorderfüße gegen die Oberfläche, während die Hinterfüße weggezogen werden (b). Wenn die auf den hinteren Fuß einwirkende Kraft einen kritischen Punkt erreicht, löst er sich von der Oberfläche und der Roboter tritt nach vorne (c).

Es ist nicht der erste Roboter, der faserartige Trockenkleber verwendet, um auf Oberflächen zu kleben, sagt Metin Sitti , einem Assistant Professor für Maschinenbau, der die Forschung am Robotics Institute der Carnegie Mellon University (CMU) in Pittsburgh leitete. Aber dieser Roboter sollte eine weitaus höhere Haftkraft haben, dank Fasern, die doppelt so klebend sind wie die von Geckos.



Solche Roboter könnten unter anderem verwendet werden, um die Rümpfe von Raumfahrzeugen auf Beschädigungen zu untersuchen, wobei ihre Klebrigkeit dafür sorgt, dass sie befestigt bleiben.

Zusätzlich zu seinen klebrigen Füßen verwendet der Roboter zwei dreieckige, radartige Beine mit jeweils drei Fußpolstern und einen Schwanz, um sich im Vergleich zu anderen Robotern sehr agil zu bewegen, sagt Sitti. Er kann nicht nur sehr scharf drehen, sondern durch sein neuartiges Design auch problemlos vom Boden zur Wand und von der Wand zur Decke übertragen werden.

Multimedia

  • Schau dir den Wandkletterroboter an

Es ist sehr kompakt und hat eine große Manövrierfähigkeit, sagt Mark Cutkosky , Professor für Maschinenbau und Co-Direktor des Center for Design Research an der kalifornischen Stanford University. Es ist eine praktische Lösung zum Klettern.

Geckos können dank sehr feiner haarähnlicher Strukturen an ihren Füßen, den Setae genannt, an Oberflächen haften. Diese abgewinkelten Fasern teilen sich zu ihren Spitzen hin in noch feinere Fasern auf, was dem Gecko-Fuß ein spachtelartiges Aussehen verleiht. Ihre Adhäsion verdanken diese Endfasern unglaublich schwachen intermolekularen Kräften: Die Anziehungskräfte wirken zwischen den Faserspitzen und der Oberfläche, auf der sie kleben. Einzeln sind die Kräfte vernachlässigbar, aber da die Borsten so hohe Kontaktflächen mit Oberflächen bilden, addieren sich die Kräfte.

In den letzten Jahren haben eine Reihe von Forschungsgruppen Faserstrukturen hergestellt, die Setae nachahmen sollen. Aber Sittis Gruppe hat versucht, das Design des Geckos zu verbessern. Mit Mikrofabrikationstechniken stellten Sitti und seine Kollegen Fasern mit einem Durchmesser von nur vier Mikrometern her – zwei Größenordnungen kleiner als die, die in anderen Robotern verwendet werden. Dieser Größenunterschied macht einen signifikanten Unterschied, sagt Sitti. Dies liegt daran, dass das Verkleinern der Fasern ihren Oberflächenkontakt erhöht und somit die Haftung verbessert.

Mit den handelsüblichen Elastomer-Klebstoffen klettert der Roboter bereits weitaus flinker als jeder andere Roboter. Aber die Fasern sollen es dem Roboter ermöglichen, auch raue Oberflächen zu erklimmen, sagt Sitti. Da sie sie aber gerade erst in den Roboter integriert haben, müssen die Forscher dies noch beweisen.

Eine der Herausforderungen, um einen Roboter an Wänden kleben zu lassen, besteht darin, einen Weg zu finden, ausreichend Druck auszuüben, damit sie haften bleiben. Der neue CMU-Roboter erledigt dies mit einem Schwanz. Zu jedem Zeitpunkt berühren mindestens zwei seiner sechs Fußpolster die Oberfläche, ebenso wie der Schwanz, der federbelastet ist, damit er immer gegen die Oberfläche drückt, auch wenn er an der Decke steht.

Bei der Entwicklung dieser Materialien müssen die Forscher jedoch noch einige Probleme lösen, sagt André Geim , einem Professor für Physik der kondensierten Materie an der University of Manchester im Vereinigten Königreich, der auch borstenartige Strukturen hergestellt hat. Warum Geckos zuerst auf einem Feldweg laufen können, Staub aufsammeln und dann irgendwie Wände hochklettern, hat noch niemand erklärt, sagt er. Dies ist ein großes Hindernis.

Cutkosky stimmt zu, dass mehr Forschung über die Selbstreinigungsfähigkeiten von Geckos betrieben werden muss. Die Welt ist schmutzig, und Roboter können nicht alle paar Meter anhalten, um ihre Füße zu waschen, sagt er.

verbergen