Der größte Teil der Welt ist von Ozeanen bedeckt, die leider stark verschmutzt sind. Eine der Strategien zur Bekämpfung der Müllberge in diesen sehr empfindlichen Ökosystemen – insbesondere in der Nähe von Korallenriffen – ist der Einsatz von Robotern, die die Säuberung übernehmen.
Bestehende Unterwasserroboter sind jedoch meist sperrig und haben starre Körper, die nicht in der Lage sind, komplexe und unstrukturierte Umgebungen zu erkunden und Proben zu nehmen, und die aufgrund von Elektromotoren oder Hydraulikpumpen laut sind. Auf der Suche nach einem geeigneteren Design haben sich die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart von der Natur inspirieren lassen. Sie konfigurierten einen von Quallen inspirierten, vielseitigen, energieeffizienten und nahezu geräuschlosen Roboter von der Größe einer Hand. Jellyfish-Bot ist eine Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen Physikalische Intelligenz und Robotische Materialien am MPI-IS. Die Studie „A Versatile Jellyfish-like Robotic Platform for Effective Underwater Propulsion and Manipulation“ wurde in Science Advances veröffentlicht.
Für den Bau des Roboters verwendete das Team elektrohydraulische Aktoren, durch die Strom fließt. Die Aktuatoren dienen als künstliche Muskeln, die den Roboter antreiben. Um diese Muskeln herum befinden sich Luftkissen sowie weiche und starre Komponenten, die den Roboter stabilisieren und ihn wasserdicht machen.
Auf diese Weise kann die Hochspannung, die durch die Aktuatoren fließt, nicht mit dem umgebenden Wasser in Berührung kommen. Eine Stromversorgung liefert in regelmäßigen Abständen Strom durch dünne Drähte, wodurch sich die Muskeln zusammenziehen und ausdehnen. Dadurch kann der Roboter anmutig schwimmen und Strudel unter seinem Körper erzeugen.
„Wenn eine Qualle nach oben schwimmt, kann sie Objekte auf ihrem Weg einfangen, da sie Strömungen um ihren Körper herum erzeugt. Auf diese Weise kann sie auch Nährstoffe sammeln. Auch unser Roboter lässt das Wasser um ihn herum zirkulieren. Diese Funktion ist nützlich, um Objekte wie Abfallpartikel zu sammeln.
Er kann den Abfall dann an die Oberfläche transportieren, wo er später recycelt werden kann. Er ist auch in der Lage, empfindliche biologische Proben wie Fischeier zu sammeln. Dabei hat es keine negativen Auswirkungen auf die Umgebung. Die Interaktion mit Wasserlebewesen ist sanft und nahezu geräuschlos“, erklärt Tianlu Wang. Er ist Postdoc in der Abteilung Physikalische Intelligenz am MPI-IS und Erstautor der Veröffentlichung.
Sein Mitautor Hyeong-Joon Joo aus der Abteilung für Roboterwerkstoffe ergänzt: „Es wird geschätzt, dass 70 % des Meeresmülls auf den Meeresboden sinkt. Mehr als 60 % dieses Mülls besteht aus Kunststoffen, die Hunderte von Jahren brauchen, um sich abzubauen. Daher sahen wir die dringende Notwendigkeit, einen Roboter zu entwickeln, der Objekte wie Abfälle manipulieren und nach oben transportieren kann. Wir hoffen, dass Unterwasserroboter eines Tages bei der Säuberung unserer Ozeane helfen könnten“.
Jellyfish-Bots sind in der Lage, Objekte berührungslos zu bewegen und zu fangen, wobei sie entweder allein oder mit mehreren in Kombination arbeiten können. Jeder Roboter arbeitet schneller als andere vergleichbare Erfindungen und erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 6,1 cm/s. Außerdem benötigt der Jellyfish-Bot nur eine geringe Eingangsleistung von etwa 100 mW. Und er ist sicher für Menschen und Fische, sollte das Polymermaterial, das den Roboter isoliert, eines Tages zerreißen. Gleichzeitig sind die Geräusche des Roboters nicht von den Hintergrundgeräuschen zu unterscheiden. Auf diese Weise interagiert Jellyfish-Bot sanft mit seiner Umgebung, ohne sie zu stören – ganz wie sein natürliches Gegenstück.
Der Roboter besteht aus mehreren Schichten: Einige versteifen den Roboter, andere dienen dazu, ihn schwimmfähig zu halten oder ihn zu isolieren. Eine weitere Polymerschicht fungiert als schwimmende Haut. In der Mitte der verschiedenen Schichten sind elektrisch betriebene künstliche Muskeln, so genannte HASELs, eingebettet. HASELs sind mit flüssigem Dielektrikum gefüllte Kunststoffbeutel, die teilweise von Elektroden bedeckt sind. Durch Anlegen einer Hochspannung an eine Elektrode wird diese positiv aufgeladen, während das umgebende Wasser negativ geladen ist. Dadurch entsteht eine Kraft zwischen der positiv geladenen Elektrode und dem negativ geladenen Wasser, die das Öl in den Beuteln hin- und herschiebt, wodurch sich die Beutel zusammenziehen und entspannen – ähnlich wie ein echter Muskel. HASELs können den hohen elektrischen Spannungen standhalten, die von den geladenen Elektroden erzeugt werden, und sind durch eine Isolierschicht vor Wasser geschützt. Dies ist wichtig, da HASEL-Muskeln bisher noch nie für den Bau eines Unterwasserroboters verwendet wurden.
Der erste Schritt war die Entwicklung von Jellyfish-Bot mit einer Elektrode und sechs Fingern oder Armen. Im zweiten Schritt teilte das Team die einzelne Elektrode in einzelne Gruppen auf, um sie unabhängig voneinander zu betätigen.
„Wir erreichten das Greifen von Objekten, indem wir vier der Arme als Propeller und die anderen beiden als Greifer fungieren ließen. Oder wir haben nur eine Teilmenge der Arme betätigt, um den Roboter in verschiedene Richtungen zu lenken. Wir haben auch untersucht, wie wir ein Kollektiv aus mehreren Robotern betreiben können. Zum Beispiel haben wir zwei Roboter eine Maske aufheben lassen, was für einen einzelnen Roboter sehr schwierig ist. Zwei Roboter können auch zusammenarbeiten, um schwere Lasten zu tragen. An diesem Punkt braucht unser Jellyfish-Bot jedoch ein Kabel. Das ist ein Nachteil, wenn wir ihn wirklich eines Tages im Ozean einsetzen wollen“, sagt Hyeong-Joon Joo.
Vielleicht gehört die Verkabelung von Robotern bald der Vergangenheit an. „Unser Ziel ist es, kabellose Roboter zu entwickeln. Glücklicherweise haben wir den ersten Schritt in Richtung dieses Ziels getan. Wir haben alle Funktionsmodule wie die Batterie und die drahtlosen Kommunikationsteile eingebaut, um in Zukunft drahtlose Manipulationen zu ermöglichen“, so Tianlu Wang weiter. Das Team befestigte eine Auftriebseinheit an der Oberseite des Roboters und eine Batterie und einen Mikrocontroller an der Unterseite. Anschließend schwammen sie mit ihrer Erfindung im Teich des Max-Planck-Campus Stuttgart und konnten sie erfolgreich steuern. Bislang konnten sie den drahtlosen Roboter jedoch nicht dazu bringen, den Kurs zu ändern und in die andere Richtung zu schwimmen.
