Selbstgetriebene „Rebe“ sucht Licht und Wärme

Dieser Artikel ist Teil unseres exklusiven Artikels IEEE Journal Watch-Reihe in Partnerschaft mit IEEE Xplore.

Dank der Evolution haben Weinreben die Fähigkeit, nach Lichtquellen zu suchen und in die Richtung zu wachsen, die ihre Chancen, Sonnenlicht zu absorbieren und zu gedeihen, optimiert. Nun ist es Forschern gelungen, einen von Weinreben inspirierten Crawling-Bot zu entwickeln, der ähnliche Leistungen erbringen kann, indem er Licht- und Wärmequellen aufspürt und sich darauf zubewegt. Es wird in einer Studie beschrieben, die letzten Monat in veröffentlicht wurde IEEE-Robotik- und Automatisierungsbriefe.

Shivani Deglurkar, Ph.D. Ein Kandidat im Fachbereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der University of California, San Diego, half bei der Mitgestaltung dieser automatisierten „Reben“. Aufgrund seiner licht- und wärmesuchenden Fähigkeiten erfordert das System keine komplexe zentrale Steuerung. Stattdessen bewegen sich die „Ranken“ automatisch auf ein gewünschtes Ziel zu. „[Also]„Wenn einige der Ranken oder Wurzeln beschädigt oder entfernt werden, bleiben die anderen voll funktionsfähig“, stellt sie fest.

Während die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, sagt Deglurkar, dass sie sich vorstellen kann, dass sie bei verschiedenen Anwendungen im Zusammenhang mit der Sonnenverfolgung oder vielleicht sogar bei der Erkennung und Bekämpfung von Schwelbränden hilfreich sein wird.

Dabei kommt ein neuartiger Aktuator zum Einsatz, der sich bei Vorhandensein von Licht zusammenzieht und so dazu führt, dass es zur Quelle hin gravitiert. Shivani Deglurkar et al.

Um das Gerät automatisch zu Wärme und Licht hin zu bewegen, entwickelte Deglurkars Team einen neuartigen Aktuator. Es verwendet einen Photoabsorber in einer Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt, der in vielen kleinen, einzelnen Beuteln an den Seiten des Weinrebenkörpers enthalten ist. Sie nannten diesen neuartigen Aktuator einen Photothermal Phase-Change Series Actuator (PPSA).

Bei Lichteinwirkung absorbieren die PPSAs Licht, erwärmen sich, blähen sich mit Dampf auf und ziehen sich zusammen. Wenn die PPSAs unter Druck gesetzt werden, dehnen sie sich aus, indem sie Material aus dem Inneren ihrer Spitze entfalten. „Gleichzeitig ziehen sich die PPSAs auf der dem Licht ausgesetzten Seite zusammen, verkürzen diesen Teil des Roboters und lenken ihn in Richtung des Roboters [light or heat] Quelle“, erklärt Deglurkar.

Anschließend testete ihr Team das System, indem es es in unterschiedlichen Abständen von einer Infrarotlichtquelle platzierte und bestätigte, dass es bei kurzen Distanzen zur Quelle hin tendiert. Die Fähigkeit dazu hängt von der Lichtintensität ab, wobei stärkere Lichtquellen eine stärkere Biegung des Geräts in Richtung der Wärmequelle ermöglichen.

Das vollständige Umdrehen der Rebe durch die PPSAs dauert etwa 90 Sekunden. Bemerkenswert ist, dass das Gerät dank seiner inhärenten Notwendigkeit, nach Licht- und Wärmequellen zu suchen, sogar Hindernisse umfahren konnte.

Charles Xiao, ein Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau der University of California, Santa Barbara, war an der Mitgestaltung der Rebe beteiligt. Er sagt, er sei überrascht gewesen, die Reaktionsfähigkeit selbst bei sehr schlechten Lichtverhältnissen zu sehen. „Sonnenlicht hat etwa 1000 W/m²²„Und es hat sich gezeigt, dass unser Roboter mit einem Bruchteil der Sonnenintensität arbeitet“, erklärt er und weist darauf hin, dass viele vergleichbare Systeme eine Beleuchtung benötigen, die größer als die einer Sonne ist.

Xiao sagt, dass die Hauptstärke der automatisierten Rebe in ihrer Einfachheit und den geringen Herstellungskosten liegt. Es ist jedoch noch mehr Arbeit erforderlich, bevor es auf den Markt kommen oder sein Debüt bei der Brandbekämpfung geben kann. „Es reagiert langsam auf Licht- und Wärmesignale und ist noch nicht für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt“, erklärt Xiao.

Daher benötigen zukünftige Prototypen eine bessere Leistung bei hohen Temperaturen und die Fähigkeit, Brände zu erkennen, um in einer realen Umgebung eingesetzt werden zu können. Zu den nächsten Schritten ihres Teams für die Zukunft gehören laut Deglurkar die Gestaltung der Aktuatoren, die selektiver auf die von einem Feuer emittierten Wellenlängen reagieren, und die Entwicklung von Aktuatoren mit einer schnelleren Reaktionszeit.