Royal inspiriert: Monarchfalter als Vorbild für neue Roboterflügel

Amerikanische Monarchfalter können scheinbar mühelos tausende Kilometer weit fliegen. Das hat Forschende in Deutschland dazu inspiriert, neuartige Flügel für Drohnen und sogar Kleinstroboter für minimalinvasive OPs zu entwickeln.

So filigran, wie sie im Winde schwebend oft erscheinen, sind Schmetterlinge faszinierende Wesen. Manche Arten scheuen keine Entfernung, Meere und Höhen, um etwa von Nordafrika bis nach Deutschland zu kommen. Am meisten erforscht ist dabei der Monarchfalter mit seiner auffälligen orange-schwarzen Flügelzeichnung. Einzelne Exemplare des Wanderfalters können in Nordamerika bis zu 3.600 Kilometer weit fliegen.

Das schaffen die leider vom Aussterben bedrohten, „königlichen“ Insekten dank ihrer einzigartigen Flügel, die es ihnen erlauben, sowohl aktiv als auch passiv zu fliegen. Wissenschaftler:innen an der TU Darmstadt und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wollten das laut Industry of Things kopieren und hatten damit jetzt Erfolg.

Bewegung durch externe Magnetfelder

Oliver Gutfleisch, Professor für Materialwissenschaft in Darmstadt, und Denys Makarov in Dresden ist es gelungen, einen Flügel aus nur etwa 0,75 Millimeter dünnem flexiblen Kunststoff zu fertigen und magnetische Partikel einzubetten. Über externe Magnetfelder erhalten die Flügel somit Auftrieb und die Möglichkeit, sich vorwärtszubewegen.

Eine Herausforderung war die extrem dünne Struktur der im 3D-Druck gefertigten Flügel, von denen man zunächst zwölf Designs erstellt hatte, um die Strukturen der Flügeladern der Monarchfalter nachzuempfinden.

In einer Kombination aus Finite-Elemente-Analysen (FEM) und Experimenten galt es herauszufinden, wie sich die Muster jeweils auf die Beweglichkeit und Effizienz der Flügel auswirken. Es zeigte sich, dass größere Flügel mit Aderstrukturen biegsamer, unempfindlicher und anpassungsfähiger waren.

Einsatzmöglichkeiten in Umwelt und Medizin

Potenzielle Anwendungen für ihre magnetischen Flügel sehen die Wissenschaftler im Bereich Umwelt zur Überwachung von Bestäuber-Populationen oder der Luftqualität. Weitere Einsatzmöglichkeiten ist der Zivilschutz, um mit fliegenden Robotern in Katastrophengebiete vorzudringen und bei der Suche nach Überlebenden zu helfen. Eine weitere Idee ist der Einsatz von so ausgestatteten Mini-Robotern in der minimalinvasiven Chirurgie, für Operationen an sehr empfindlichem Gewebe etwa.

Noch eine Möglichkeit, die die Wissenschaftlich sehen, ist die Entwicklung künstlicher Muskeln und „intelligenter“ Materialien, die je nach Bedarf ihre Form ändern. Problem dabei ist jedoch, dass ihre künstlichen Flügel für Auftrieb und Bewegung noch auf externe Magnetfelder angewiesen sind. Um diesen Flaschenhals zu überwinden, könnten die Roboter künftig eigene Magnetfeldgeneratoren mit sich führen, die ihnen autonome Bewegungen erlauben würden.

Quelle Titelbild: Unsplashed / Joshua J. Cotten