Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben zusammen mit Forschern der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) erstmals einen Schlagflügelroboter entwickelt, der wie ein Tauchvogel aus der Luft fliegend in Wasser eintauchen und aus dem Wasser wieder in den Flug übergehen kann. Das „Flapping-wing aerial-aquatic vehicle“ (FAAV) soll dabei helfen, die Mechanismen von Tauchvögeln zu erforschen und zu Messzwecken in gefährlichen Meeresgebieten einzusetzen.

Etwa 100 verschiedene Vogelarten sind in der Lage, zu fliegen und im Wasser zu tauchen. Dazu gehören etwa Seetaucher, Möwen, Papageientaucher und Sturmvögel. Sie lokalisieren aus der Luft Fische im Wasser, tauchen im Sturzflug in das Wasser ein, um sich dann mit ihrer Beute wieder in die Lüfte zu schwingen.

Ein Forschungsteam des MIT und der EPFL hat auf Grundlage dieser biologischen Vorbilder einen Schlagflügelroboter entwickelt, der ähnliches leisten kann. Es gab zwar bereits früher Ansätze, tauchende Flugroboter zu entwickeln, allerdings handelte es sich dabei um Quadkopter-Drohnen, die elektromotorisch mittels Propellern fliegen und sich unter Wasser fortbewegen. Der Flugroboter der MIT- und EPFL-Forscher wird dagegen von schlagenden Flügeln angetrieben, wie aus der Studie „Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings“ hervorgeht, die in Science veröffentlicht ist.

Das FAAV der Wissenschaftler ähnelt von der Gestalt her einem Vogel, besteht also aus einem Rumpf, zwei flexiblen Flügeln und einem Schwanz. Im Körper sind ein wasserdichter Elektromotor, ein Akku und die Steuerungselektronik untergebracht. Der Motor treibt über eine Kurbelwelle die Schlagflügel an. Die Schlagfrequenz ist dabei variabel. Die Flügel bestehen aus dünnen Kunststoffmembranen. Sie sind mit Nanopartikeln beschichtet, um Wasser abzuweisen. Der Schwanz des Roboters kann elektromotorisch in seinem Anstellwinkel verstellt werden. Das unterstützt den Roboter beim Aufsteigen und Abtauchen.

Tests mit unterschiedlichen Flügeln und Schwänzen

Flügel und Schwanz haben die Forscher so konstruiert, dass sie gegen größere oder kleinere Versionen ausgetauscht werden können. Vorherige Beobachtungen von tauchenden Wasservögeln haben gezeigt, dass diese bei unterschiedlicher Spannweite verschiedene Strategien entwickelt haben, um ins Wasser einzutauchen und sich wieder aus dem Wasser in die Luft zu erheben. Kleinere Vögel schlagen im Flug etwa zehnmal pro Sekunde, unter Wasser viermal pro Sekunde. Größere Vögel mit größerer Spannweite weisen in der Luft und im Wasser eine geringere Schlagfrequenz auf. Die Wissenschaftler testeten deshalb verschiedene Flügelspannweiten und Schwänze mit unterschiedlichen Winkeln und änderten dabei auch die Schlagfrequenz. Drei Flügelsätze mit Spannweiten von 60 cm, 80 cm und 100 cm standen den Forschern zur Verfügung. Die Flügel müssen dabei biegsam genug sein, um die Schlagamplitude im Wasser zu minimieren, allerdings auch fest genug, um damit fliegen zu können.

Bei den Flug- und Tauchtests in einem Wassertank und einem nahegelegenen See ergab sich eine Flügelspannweite von 80 cm als optimal. Damit konnte unter Wasser eine Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde erreicht werden. In der Luft erzielte der Roboter bei gleicher Flügelschlagfrequenz eine Geschwindigkeit von 6 m/s. Das sind Werte, wie sie auch biologische Tauchvögel erreichen. Um besser aus dem Wasser in die Luft zu kommen, erwies sich ein Anstellwinkel des Schwanzes von 70 Grad als ideal. Der relativ steile Winkel verhindert, dass die Flügelspitzen beim Aufwärtsschlag und Abheben die Wasseroberfläche berühren. Noch steilere Anstellwinkel stellten sich als kontraproduktiv heraus: Der Flugroboter kippte dann nach hinten.

Eine Befürchtung der Forscher bestätigte sich dagegen nicht: Sie hatten zuerst angenommen, dass möglicherweise bewegliche Füße als Paddel nötig sein könnten, um sich aus dem Wasser in die Luft erheben zu können. Zumindest ein Flugroboter benötigt im Gegensatz zu manchen Vögeln das Paddelmanöver mit den Füßen nicht, um aus dem Wasser aufzusteigen und in den Flug übergehen zu können.

Das Forschungsteam arbeitet nun daran, den tauchenden Flugroboter zu optimieren. Die Flügel sollen nicht nur auf- und abschlagen, sondern dabei auch eine Drehbewegung ausführen können. Zudem wollen die Wissenschaftler die Flug- und Taucheigenschaften verbessern, um das FAAV auch in unruhigen Gewässern und bei stärkerem Wind betreiben zu können. Das soll es ermöglichen, den Roboter für die Meeresforschung einzusetzen, damit er zu seinem Einsatzort, wie etwa treibenden Eisbergen und Walgruppen, fliegen und dort Messungen im Wasser durchführen kann.

„Man könnte ihn nicht nur einmal pro Woche, sondern stündlich aussenden. Er könnte mit hoher Geschwindigkeit hinausfliegen, abtauchen, zurückkehren, seine Daten übermitteln und sich erneut auf den Weg machen – und das mehrfach“, sagt Raphael Zufferey, Assistenzprofessor am MIT und Hauptautor der Studie.

(olb)