19.12.2018

Träge Miniroboter fliegen aus der Kurve

Bewegung kleiner aktiver Teilchen in einem Medium unter­sucht.

Die Brownschen Molekularbewegung ist da zufällige Bewegungs­bild mikro­sko­pisch kleiner Teil­chen, die in einem Medium ständig von um­ge­benden Mole­külen ange­stoßen werden. Albert Ein­stein erklärte diese Zusammen­hänge zum ersten Mal theo­retisch und fand dabei heraus, dass das Bewegungs­muster eines ideali­sierten Mikro­teil­chens – ent­gegen der all­täg­lichen Erfah­rung – nicht von seiner Masse abhängt. Sogar „aktive Materie – Teil­chen wie Bakte­rien, die über einen eigenen Antrieb ver­fügen – sollte sich so ver­halten.

Abb.: Pfad eines 3D-gedruckten Mini-Roboters. (Bild: C. Scholz, HHU)
Abb.: Pfad eines 3D-gedruckten Mini-Roboters. (Bild: C. Scholz, HHU)

Seit Isaac Newton ist aber bekannt, dass jedes Teil­chen mit end­licher Masse eine Träg­heits­kraft erfährt, die der Ände­rung seiner Bewe­gung ent­gegen wirkt. Außer­dem besitzen aus­ge­dehnte Körper ein Träg­heits­moment, welches der Ände­rung der Rota­tion wider­steht. Diese Faktoren machen die Berech­nung der Bewe­gung aktiver Teil­chen deut­lich kompli­zierter, wes­halb sie in Berech­nungen meist ver­nach­lässigt werden.

Forscher der Uni Düsseldorf um Christian Scholz und Hartmut Löwen gaben sich mit dieser Ver­ein­fachung nicht zufrieden und konnten jetzt ers­mals theo­retisch und experi­men­tell zeigen, dass die Träg­heit für aktive Teil­chen rele­vant ist. Zwar ist, wie bereits Ein­stein heraus­fand, die Masse für die Bewe­gung nach einiger Zeit un­wichtig. Neu ist aber, dass das Träg­heits­moment die Bewe­gung für alle Zeit beein­flusst. „Ein massives Teil­chen kann nicht mehr leicht seine Aus­rich­tung ändern und bewegt sich so länger in eine Rich­tung“, erläutert Löwen.

Ein entscheidender Durchbruch ist bei der Studie die experi­men­telle Unter­suchung der Brown­schen Bewegung der aktiven Teil­chen. Die Forscher ver­wen­deten dafür einen kleinen, ein­fachen Roboter, der durch die Vibra­tion des Unter­grunds ange­trieben werden kann. Durch mikro­sko­pische Uneben­heiten im Unter­grund wird die Bewe­gung gestört, so dass Geschwin­dig­keit und Orien­tie­rung des Teil­chens fluktu­ieren – wie durch die Stöße mit anderen Teil­chen bei der Brown­schen Mole­kular­bewe­gung. Seine Bewe­gungen unter­suchten sie mit­hilfe von Hoch­geschwin­dig­keits­kameras. Die Videos zeigen, dass die Roboter sich nur dann so ver­halten, wie von der Theorie vor­her­gesagt, wenn man ihre Träg­heit berück­sich­tigt. „Bei genauem Hin­chauen erkennt man zum Beispiel, dass die Roboter wie Renn­wagen von alleine um die Kurve driften. Ihre Träg­heit sorgt dafür, dass sie quasi aus der Kurve fliegen“, sagt Scholz.

Die Ergebnisse der Untersuchung haben praktische Bedeutung, denn das Träg­heits­moment lässt sich zur Bewe­gungs­kon­trolle von Lebe­wesen und Fahr­zeugen nutzen. Das wird besonders dann inte­res­sant, wenn die äußeren Umstände nicht beein­fluss­bar sind, wie zum Beispiel bei Luft­turbu­lenzen oder Kolli­sionen mit Nach­bar­teil­chen. Will man des­halb ein agiles Objekt haben, das leicht um Kurven kommt, so baut man es klein beziehungs­weise ver­lagert seine Masse nach innen. Die Bewe­gung wird dagegen umso stabiler, je weiter außen die Masse ist oder je größer ein Objekt ist.

HHU / RK

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