EPFL und MIT entwickeln Roboter nach dem Vorbild von Tauchvögeln

Der von EPFL und MIT entwickelte Roboter orientiert sich an Tauchvögeln und wechselt direkt vom Schwimmen unter Wasser in den Flug. (Source: EPFL / ©Raphael Zufferey)

Der von EPFL und MIT entwickelte Roboter orientiert sich an Tauchvögeln und wechselt direkt vom Schwimmen unter Wasser in den Flug. (Source: EPFL / ©Raphael Zufferey)

Forschende der EPFL und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Roboter entwickelt, der unter Wasser schwimmt, die Wasseroberfläche durchbricht und anschliessend weiterfliegt. Laut der EPFL orientiert sich das System an Tauchvögeln wie Seetauchern, Papageitauchern und Sturmvögeln. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden im Fachjournal "Science".

Der weniger als 300 Gramm schwere Roboter besteht aus einem Rumpf, zwei flexiblen Schlagflügeln und einem steuerbaren Heck. Die Forschenden können Flügel und Heck gegen Varianten unterschiedlicher Grösse austauschen, um zu untersuchen, wie Form, Flexibilität und Schlagfrequenz den Übergang zwischen Schwimmen und Fliegen beeinflussen. Die Flügel bestehen aus dünnen Membranen mit einer wasserabweisenden Beschichtung aus Nanopartikeln. Im Rumpf befinden sich eine Batterie und ein wasserdichter Elektromotor, der die Flügel über eine Kurbelwelle antreibt. Das bewegliche Heck steuert den Neigungswinkel des Roboters beim Fliegen und Tauchen.

Der Roboter orientiert sich an Tauchvögeln und wechselt mit schlagenden Flügeln vom Schwimmen unter Wasser direkt in den Flug. Die Grafik zeigt den Bewegungsablauf sowie den Aufbau des Prototyps. (Source: EPFL)

Start aus dem Wasser gelingt ohne Beine

Versuche in einem Wasserbecken und im Genfersee zeigten, welche Kombination aus Flügelgrösse, Schlagfrequenz und Heckwinkel den Übergang vom Schwimmen zum Fliegen ermöglicht. Die Forschenden verwendeten Flügel mit einer Spannweite von 80 Zentimetern. Diese erwiesen sich als flexibel genug, um den Ausschlag der Flügel unter Wasser zu verringern, und gleichzeitig steif genug, um ausreichend Auftrieb in der Luft zu erzeugen. Der Roboter erreichte unter Wasser knapp einen Meter pro Sekunde und in der Luft rund sechs Meter pro Sekunde - jeweils bei einer Schlagfrequenz von etwa fünf Flügelschlägen pro Sekunde.

Für den Übergang in den Flug nimmt der Roboter einen Winkel von rund 70 Grad ein. Dadurch berühren die Flügelspitzen die Wasseroberfläche nicht. Anders als viele tauchende Vögel benötigt der Roboter dabei keine Beine, um sich vom Wasser abzustossen. Den Forschenden zufolge gelang damit erstmals einem Roboter der direkte Übergang vom Wasser in die Luft allein mithilfe schlagender Flügel.

Raphael Zufferey, Erstautor der Studie und früherer EPFL-Forscher, sieht mögliche Anwendungen in der Meeresforschung: Künftig könnten Forschende den Roboter von einem Schiff oder vom Ufer aus starten lassen, um an schwer zugänglichen Orten Wasserproben zu entnehmen oder Messdaten zu erfassen. Im Anschluss soll das Fluggerät die Daten zurückbringen und erneut zum Einsatz kommen.

Als Nächstes wollen die Forschenden die Flügel weiterentwickeln, sodass sie sich zusätzlich verdrehen können. Ausserdem soll der Roboter künftig auch bei Wellengang und starkem Wind zuverlässig funktionieren. Neben möglichen Anwendungen in der Ozeanforschung soll das Projekt auch dazu beitragen, die Flug- und Schwimmmechanik tauchender Seevögel besser zu verstehen.

Übrigens: Die EPFL orientiert sich auch in anderen Robotikprojekten an der Natur: Wie Forschende eine Drohne nach dem Vorbild der Fledermaus entwickelten, lesen Sie hier.