Dieser flatternde Roboter kann fliegen und schwimmen

Es gibt über 100 Vogelarten, die fliegen und tauchen können. Dazu gehören zum Beispiel die Papageitaucher (Puffins), die im Nordatlantik Heringe jagen, oder die bei uns heimischen, schillernden Eisvögel.

Forscher am US-amerikanischen MIT und der Schweizer EPFL haben sich von diesen Tieren inspirieren lassen. Sie haben einen flatternden Roboter vorgestellt, der sich sowohl im Wasser als auch in der Luft fortbewegen kann.

Mit ihrer Studie, die bei Science erschienen ist, versuchen sie einerseits zu verstehen, was die Vögel auszeichnet. Andererseits wollen sie ein neuartiges Fluggerät ermöglichen, das zum Beispiel Umweltveränderungen an Flüssen und Meeren erfassen kann.

Unterschiedliche Bedingungen in Wasser und Luft

Die zentrale Herausforderung bei tauchenden Vögeln – und Flugrobotern – ist die stark unterschiedliche Dichte von Luft und Wasser. „Man muss einige Anpassungen vornehmen, damit dieser Übergang funktioniert“, erklärt Raphael Zufferey vom MIT in einer Aussendung. „Vögel wie Puffins können sehr schnell durch die Luft fliegen und mit einer Geschwindigkeit von 3 Metern pro Sekunde ins Wasser tauchen und schwimmen. Sie schaffen erstaunliche Dinge. Wir wussten daher, dass es möglich ist. Nur hatte das noch niemand anhand eines mobilen robotischen Systems ausprobiert.“

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Das „flapping-wing aerial-aquatic vehicle“ (FAAV), das das Forschungsteam letztlich gebaut hat, wiegt 250 Gramm, was etwa dem Gewicht eines Puffins entspricht. Der „Körper“ des Geräts enthält eine Batterie und einen Elektromotor, der eine Kurbelwelle antreibt, die die Flügel bewegt.

Flexible Flügel mit wasserabweisender Beschichtung

Die Flügel wurden in 3 Varianten gebaut: 60 Zentimeter, 80 Zentimeter und ein Meter Spannweite. Die mittlere Größe stellte sich bei Experimenten in einem Wassertank und später im Genfer See als die brauchbarste heraus. Die Flügel wurden mit dünner Membran, die mit wasserabweisenden Nanopartikeln beschichtet ist, bespannt. Komplexe Faltmechanismen für die Flügel seien nicht notwendig, sofern das Material flexibel genug ist.

Der „Schwanz“ des Roboters ist ebenfalls motorisiert. Je nach Ausrichtung ändert sich der Winkel, mit dem er aus dem Wasser startet. Bei 70 Grad – also recht steil – funktioniert das am besten, weil die Flügelspitzen die Wasseroberfläche nicht mehr berühren.

Flatter-Frequenz ausschlaggebend

Vögel schlagen ihre Flügel im Flug etwa 10 Mal pro Sekunde auf und ab, beim Schwimmen nur 4 Mal pro Sekunde. Je größer die Flügelspannweite, desto niedriger die Frequenz. 

Bei den Flug- und Tauchtests stellte sich heraus, dass die Flatter-Frequenz auch beim FAAV ausschlaggebend ist. Mit etwa 5 Hertz, also 5 Flügelschlägen pro Sekunde, erreichte der Roboter unter Wasser eine Geschwindigkeit von fast einem Meter pro Sekunde. 

Keine Beine nötig

„Die meisten Vögel müssen an der Oberfläche paddeln, um abzuheben. Die Frage war, ob wir dasselbe für Roboter brauchen. Tatsächlich brauchen wir das nicht“, erklärt Zufferey. Sein Roboter hat daher keine Beine. 

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In Zukunft soll das FAAV auch mit turbulenteren Bedingungen klarkommen können, etwa Wellengang oder Sturmwind. Die Forscher wollen daher zum Beispiel die Flügelbewegungen verfeinern, damit sie nicht nur nach oben und unten ausschlagen können.