Dieser Roboter kann schwimmen und fliegen

Seetaucher, Möwen, Papageitaucher und Sturmvögel gehören zu den rund 100 Vogelarten, die sowohl fliegen als auch schwimmen können. Diese Tauchvögel stürzen sich ins Wasser, verfolgen dort schwimmend ihre Beute und starten anschliessend wieder in die Luft. Inspiriert von diesen Tieren haben Ingenieurinnen und Ingenieure der EPFL und des MIT nun einen Roboter entwickelt, der unter Wasser schwimmen und sich mit Flügelschlägen aus dem Wasser in die Luft erheben kann.

Das «Flapping-Wing Aerial-Aquatic Vehicle» (FAAV) wiegt weniger als 300 Gramm und soll Forschenden helfen, die Mechanismen zu untersuchen, mit denen sich Tauchvögel in der Luft und im Wasser fortbewegen. Der Roboter besteht aus einem zentralen Rumpf, zwei flexiblen Schlagflügeln und einem steuerbaren Heck. Flügel und Heck lassen sich gegen Varianten unterschiedlicher Grösse austauschen. Bei Experimenten in einem Wasserbecken und in einem See ermittelten die Forschenden Kombinationen aus Flügelgrösse, Schlagfrequenz und Heckwinkel, mit denen der Roboter fliessend vom Schwimmen über das Durchbrechen der Wasseroberfläche zum Flug übergehen kann.

Die in «Science» veröffentlichten Ergebnisse können dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Tauchvögel ihre Flugmechanik an Luft und Wasser anpassen. Zugleich könnte die Konstruktion den Weg für eine neue Klasse amphibischer Drohnen und Fahrzeuge ebnen. Denkbar wäre etwa, solche Flugroboter für Messungen und Probeentnahmen in Gewässern einzusetzen, die für herkömmliche Forschungsschiffe zu gefährlich oder schwer zugänglich sind.

«Unsere Vision ist, dass Ozeanografinnen, Meeresbiologen oder Küstengemeinden diesen Roboter von einem Schiff oder vom Ufer aus starten», sagt Erstautor Raphael Zufferey, ehemaliger EPFL-Forscher und heute Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT. «Er könnte in die Nähe des Untersuchungsgebiets fliegen, etwa zu einem Eisberg, einer Hafenanlage oder einer Gruppe von Walen. Dort würde er ins Wasser tauchen, Messungen durchführen oder Proben nehmen und anschliessend zurückfliegen, um die Daten zu liefern – zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden. Danach könnte er erneut starten und weitere Tauchgänge durchführen.»

Zufferey begann mit der Entwicklung des Roboters als Postdoktorand an der EPFL. Abgeschlossen hat er die Arbeit am MIT, wo er heute das AURA Lab leitet, das bioinspirierte Flug- und Wasserfahrzeuge entwickelt. Ausgehend von der Biomechanik der Vögel entwickelte das Team einen Roboter mit Flügeln aus dünnen Membranen. Diese sind mit hydrophoben Nanopartikeln beschichtet, damit Wasser möglichst rasch abperlt. Im Rumpf befinden sich eine Batterie und ein wasserdichter Elektromotor, der eine Kurbelwelle antreibt und die Flügel mit vorgegebenen Frequenzen auf und ab bewegt. Das motorisierte Heck lässt sich im Winkel verstellen und unterstützt den Roboter beim Steigen und Abtauchen.

Die ersten Versuche führten die Forschenden in einem kleinen Wasserbecken an der EPFL durch, anschliessend testeten sie den Roboter im Genfersee. Dabei zeigte sich, dass Flügelgrösse und Flexibilität entscheidend sind. Die 80 Zentimeter grossen Flügel müssen flexibel genug sein, um die Ausschläge unter Wasser zu begrenzen, zugleich aber steif genug, um den Roboter in der Luft zu tragen.

Bei einer Schlagfrequenz von rund 5 Hertz erreichte der Roboter unter Wasser Geschwindigkeiten von fast einem Meter pro Sekunde. In der Luft flog er bei einer ähnlichen Frequenz mit rund sechs Metern pro Sekunde. Diese Geschwindigkeiten und Schlagfrequenzen entsprechen in etwa denen echter Tauchvögel. Für den Übergang vom Wasser in die Luft muss der Roboter mit einem steilen Winkel von 70 Grad ausgerichtet sein, damit seine Flügelspitzen die Wasseroberfläche nicht berühren.

Bemerkenswert ist, dass der Roboter mit dieser Kombination aus Flügelgrösse, Schlagfrequenz und Heckwinkel unter Wasser schwimmen, die Oberfläche durchbrechen und anschliessend fliegen kann, ohne etwas zu benötigen, das für viele Tauchvögel beim Start entscheidend ist: Füsse.

«Die meisten Vögel müssen beim Start an der Wasseroberfläche mit den Füssen paddeln», erklärt Zufferey. «Deshalb stellte sich die Frage, ob wir das bei Robotern ebenfalls benötigen. Wie sich herausgestellt hat, ist das nicht der Fall. Bisher ist es niemandem gelungen, allein mit Flügeln aus dem Wasser zu starten.»

Als Nächstes will das Team die Flügel so weiterentwickeln, dass sie sich zusätzlich zur Auf- und Abbewegung auch drehen können. Zudem soll der Roboter unter turbulenteren Bedingungen getestet werden – etwa beim Start aus unruhigem Wasser und beim Flug bei Wind. Anschliessend wollen die Forschenden das System für wissenschaftliche Untersuchungen der Ozeane einsetzen.