Technische Universität Darmstadt
TU Darmstadt: Schmetterlinge beflügeln Robotik
S chmetterlinge beflügeln Robotik
Studie entwickelt Methode zur Bewegung ohne Elektronik und Batterien
Darmstadt, 24. Januar 2025. Forschende der Technischen Universität Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben eine revolutionäre Technologie entwickelt: flexible Roboterflügel, die durch Magnetfelder bewegt werden. Inspiriert von der Effizienz und Anpassungsfähigkeit der Flügel des Monarchfalters, ermöglichen sie präzise Bewegungen ohne Elektronik oder Batterien. Diese bioinspirierte Entwicklung könnte Umweltüberwachung, Rettungseinsätze und biomedizinische Anwendungen grundlegend verändern.
Monarchfalter sind bekannt für ihre herausragende Ausdauer und Anpassungsfähigkeit. Jährlich legen sie auf ihren Wanderungen zwischen Kanada und Mexiko tausende Kilometer zurück. Der Schlüssel zu dieser Leistung liegt in den einzigartigen Flügeln, die die Insekten durch eine Kombination aus aktiver Bewegung und passiver Biegung energieeffizient fliegen lassen. Diese Eigenschaften dienten als Inspiration für die Entwicklung der magnetisch angetriebenen Roboterflügel.
Das Team unter der Leitung von Professor Oliver Gutfleisch (Institut für Materialwissenschaft der TU Darmstadt) und Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) baute Flügel aus einem flexiblen Kunststoff, in den magnetische Partikel eingebettet wurden. Externe Magnetfelder veranlassen diese Partikel, sich zu bewegen, wodurch sich die Flügel biegen und die Bewegungen des Schmetterlingsflugs imitieren.
Der Entwicklungsprozess war herausfordernd: Mithilfe von 3D-Druck wurden zunächst zwölf verschiedene Flügeldesigns hergestellt. Einige Designs enthielten Adernstrukturen, die den natürlichen Flügeladern der Monarchfalter nachempfunden waren. Ziel war es, mit einer Kombination aus Finite-Elemente-Analysen und Experimenten herauszufinden, wie sich diese Muster auf die Beweglichkeit und Effizienz der Flügel auswirken.
Die Ergebnisse wurden jüngst im Journal „Advanced Intelligent Systems“ veröffentlicht. Sie zeigen, dass größere Flügel mit Adernstrukturen besonders anpassungsfähig sowie unempfindlich sind und sich leichter biegen lassen. „Die größte Herausforderung bestand darin, ultradünne, flexible Strukturen zu drucken, die gleichzeitig robust genug sind, um den Belastungen standzuhalten“, erklärt Kilian Schäfer, einer der Hauptautoren der Studie.
Die potenziellen Einsatzmöglichkeiten der magnetischen Flügel sind vielfältig. Im Umweltbereich könnten so „beflügelte“ Roboter beispielsweise zur Überwachung von Bestäuberpopulationen oder für Studien zur Luftqualität genutzt werden. Da die Flügel kleines und energieeffizientes Design ermöglichen, wären solche Roboter ideal, um zum Beispiel in Katastrophengebiete vorzudringen, wo sie zur Suche und Rettung von Menschen eingesetzt werden könnten.
Der Fokus der Studie lag darauf, flexible magnetische Flügel zu entwickeln, die ohne elektronische Komponenten funktionieren. Der neue Ansatz kann jedoch auch auf andere Gestalt-verändernde Roboter übertragen werden. So eröffnet die neu entwickelte Technologie zum Beispiel Möglichkeiten für die Medizin: Leichtgewichtige Roboter mit präzise steuerbaren Bewegungen könnten in der minimalinvasiven Chirurgie eingesetzt werden, etwa für Operationen an empfindlichen Geweben. Darüber hinaus könnten die Prinzipien der bioinspirierten Robotik in der Entwicklung künstlicher Muskeln oder intelligenter Materialien Anwendung finden, die ihre Form je nach Bedarf verändern können.
Bis zur Anwendung der neuen Technologie sind weitere Forschungsarbeiten nötig. „Die derzeitigen Flügel erfordern noch externe Magnetfelder, aber zukünftige Entwicklungen könnten miniaturisierte Magnetfeldgeneratoren integrieren, um autonome Bewegungen zu ermöglichen“, erklärt Muhammad Bilal Khan, ebenfalls Hauptautor der Studie. Das Team möchte erforschen, wie Modifikationen im Magnetfeld die komplexe Steuerung der Bewegungen und Flugrouten ermöglichen.
Die Veröffentlichung:
Muhammad Bilal Khan, Kilian Schäfer et al., Bioinspired Design, Fabrication, and Wing Morphing of 3D Printed Magnetic Butterflies , Advanced Intelligent Systems (2024). DOI: aisy.202400620
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202400620
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Projekt-ID-Nr. 405553726, Sonderforschungsbereich/Transregio 270, und dem Graduiertenkolleg 2761 LokoAssist, Förderkennzeichen 450821862, finanziell unterstützt.
Kontakt:
Dr. Kilian Schäfer
Tel.: +49 6151 16-20068
kilian.schaefer@tu-darmstadt.de
Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.
TU Darmstadt Science Communication Centre, Abteilung Kommunikation Karolinenplatz 5 64289 Darmstadt presse@tu-darmstadt.de