Batteriefreier, aus Quallen inspirierter Roboter erreicht Rekordgeschwindigkeit

Dies ermöglichte es ihnen, mehrere Parameter zu verfeinern, einschließlich der magnetischen Flussdichte und der zeitlichen Phasen der Bewegung. Das Ziel bestand darin, den Widerstand zu verringern und den Vortrieb zu erhöhen, ohne auf sperrige Auftriebsysteme zurückzugreifen.

Der Optimierungsansatz konzentrierte sich auf die Erzeugung eines asymmetrischen Bewegungsmusters, das natürlichen Quallen ähnelt, bei dem die Kontraktionsphase schneller abläuft als die Rückstellphase.

Diese Ungleichgewichtung hilft dabei, mehr Fluid nach hinten zu drücken, während gleichzeitig Stabilität während der Gleitphasen erhalten bleibt, was die Gesamteffizienz verbessert. „Natürliche Quallen schwimmen, indem sie sowohl räumliche als auch zeitliche Asymmetrien erzeugen: Ihre Kontraktionsphase ist schneller und erfasst eine größere Fläche als die Rückstellphase", erklärt Professor Quanliang Cao, korrespondierender Autor der Studie. „Wir haben diese Strategie mit einem asymmetrischen trapezförmigen magnetischen Feldwellenform nachgeahmt, gingen jedoch über eine einfache Emulation hinaus.

Wir optimierten systematisch sechs Wellenform-Parameter, einschließlich

Wir optimierten systematisch sechs Wellenform-Parameter, einschließlich der positiven und negativen magnetischen Flussdichten sowie der Dauer der Phasen für Vorlast, Kontraktion, Gleiten und Erholung. Mit den optimierten Wellenformen erreichte der Roboter eine Schwimmgeschwindigkeit von 14,85 Körperlängen pro Sekunde, obwohl er negativ auftriebsbehaftet ist und um mehr als 0,4 g/cm³ dichter als Wasser ist.

Das Design verzichtet auf zusätzliche Auftriebsstrukturen, die bei weichen Unterwasserrobotern typischerweise den Widerstand erhöhen. „Wir glauben, dass diese Plattform neue Möglichkeiten für minimal-invasive Diagnostik und Therapie eröffnen wird – gezielten Arzneimittelabgabe –, und zwar ohne Bordstromversorgung oder Verkabelung", sagt Professor Cao.

Das System zeigte zudem Leistungsverbesserungen gegenüber früheren, qualleninspirierten Robotern, 10 Körperlängen pro Sekunde erreichen.

Forscher zufolge ergibt sich der Gewinn

Forscher zufolge ergibt sich der Gewinn aus der Kombination einer schnellen Kontraktion mit einer sorgfältig abgestimmten Gleitphase, die den Widerstand verringert. „Und entscheidend ist, dass wir dies ohne zusätzliche Auftriebsstrukturen erreichen, die den Widerstand erhöhen und die räumliche Effizienz mindern würden", sagte Professor Lining Yao.

Mehrstufiger Navigationswechsel Neben der Geschwindigkeit kann der J-MSR zwischen verschiedenen Bewegungsmodi wechseln. Durch die Anpassung interner Magnetisierungsmuster und den Einsatz eines dreiaxigen Helmholtz-Spulen-Systems kann der Roboter in Winkeln von 0° bis 122° bewegen, rollen, Hangaufstiege bewältigen und enge oder gekrümmte Wege durchfahren.

In Tests mit einem ex vivo Schweinemagen-Modell zeigte der Roboter, dass unterschiedliche Bewegungsmodi für die Navigation durch komplexe innere Strukturen unerlässlich sind. Das reine Rollen scheiterte in engen Falten, doch die Kombination aus vertikalem Schweben und horizontalem Schwimmen ermöglichte eine erfolgreiche Passage.

Der Roboter integriert zudem eine zentrale

Der Roboter integriert zudem eine zentrale 10-mm-Kammer für Nutzlasten wie Sensoren oder medizinische Instrumente. Die Forscher betonen, dass zukünftige Arbeiten sich auf eine vollständige dreidimensionale Steuerung, eine auf maschinellem Lernen basierende Optimierung sowie eine geschlossene Schleife für die autonome Navigation im medizinischen Einsatz konzentrieren.

Die Studie zeigt, wie weiche Robotik Strömungsmechanik, magnetische Steuerung und biomedizinische Funktionen auf einer einzigen Plattform vereinen kann, ohne dass eine Bordenergieversorgung erforderlich ist. Der Artikel „Jellyfish-Inspired Ultrafast and Versatile Magnetic Soft Robots for Biomedical Applications" wurde in der Zeitschrift Cyborg and Bionic Systems veröffentlicht.