US-Schweizer Hochschulkooperation entwickelt Schlagflügelroboter, der schwimmen und fliegen kann

de.wedoany.com-Bericht: Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben einen Roboter entwickelt, der unter Wasser schwimmen und mit flatternden Flügeln aus dem Wasser in die Luft fliegen kann – ähnlich wie ein Tauchenten. Der Roboter namens „Flapping-Wing Aerial-Aquatic Vehicle“ (FAAV) wiegt weniger als 300 Gramm und soll Wissenschaftlern helfen, die Flugmechanik von Tauchenten in der Luft und im Wasser zu untersuchen. Der Roboter besteht aus einem zentralen Rumpf, zwei flexiblen Schlagflügeln und einem lenkbaren Leitwerk; Flügel und Leitwerk können je nach Bedarf in verschiedenen Größen ausgetauscht werden.

In Experimenten in einem kleinen Becken und im Genfersee in der Schweiz ermittelten die Ingenieure Kombinationen aus Flügelspannweite, Schlagfrequenz und Leitwerkswinkel, die es dem Roboter ermöglichen, nahtlos vom Schwimmen im Wasser zum Durchbrechen der Wasseroberfläche und Fliegen in die Luft überzugehen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Raphael Zufferey, Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT, erklärte, dass das Design möglicherweise dazu beitragen könne zu verstehen, wie Tauchenten ihre Flugmechanik an die beiden Medien Luft und Wasser anpassen, und auch neue Arten von Luft-Wasser-Drohnen und Fahrzeugen hervorbringen könnte. Zufferey ist der Hauptautor dieser neuen Studie; Mitautoren stammen von der EPFL und dem Northwest Indian College in Bellingham, Washington. Die Forscher stellen sich vor, dass Ozeanographen, Meeresbiologen und Küstengemeinden diesen geflügelten Roboter von einem Schiff oder vom Ufer aus starten, in die Nähe gefährlicher Gewässer wie Eisberge oder über Walgruppen fliegen, zur Probenahme eintauchen und nach dem Rückflug Daten übertragen könnten – zu weit geringeren Kosten als mit herkömmlichen Methoden.

Das Forschungsteam fasste Daten von Tauchenten wie Papageitauchern, Sturmvögeln und Eisvögeln aus der wissenschaftlichen Literatur zusammen und stellte fest, dass kleinere Vögel in der Luft etwa 10 Flügelschläge pro Sekunde und im Wasser etwa 4 Flügelschläge pro Sekunde ausführen. Basierend darauf entwickelte das Team einen Roboter mit einer Schlagfrequenz, die der echter Tauchenten ähnelt. Der Rumpf des Roboters enthält eine Batterie und einen wasserdichten Motor, der eine Kurbelwelle antreibt, um die mit hydrophoben Nanopartikeln beschichteten Membranflügel mit einer vorgegebenen Frequenz auf und ab zu bewegen; das Leitwerk kann den Winkel ändern, um den Flug zu unterstützen. Die Forscher fertigten und testeten drei Flügelgrößen: klein (60 cm breit), mittel (80 cm breit) und groß (100 cm breit). Bei den Tests wurde der Roboter etwa einen halben Meter unter Wasser platziert, die Flügel schlugen mit einer bestimmten Frequenz und das Leitwerk war in einem bestimmten Winkel geneigt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Roboter mit den mittelgroßen Flügeln zuverlässig fliegen, schwimmen und zwischen Wasser und Luft wechseln konnte, wobei die Flügel sowohl flexibel als auch robust sein mussten.

Bei einer Schlagfrequenz von etwa 5 Hertz erreichte der Roboter im Wasser eine Geschwindigkeit von fast 1 Meter pro Sekunde und in der Luft von etwa 6 Metern pro Sekunde, ähnlich wie echte Tauchenten. Für den Übergang zwischen Wasser und Luft musste der Roboter in einem Winkel von 70 Grad ansteigen, sodass die Flügelspitzen die Wasseroberfläche nicht berührten. Die Studie ergab auch, dass diese Größenkombination es dem Roboter ermöglichte, ohne den Einsatz von Füßen zum Paddeln (wie es Papageitaucher tun) aus dem Wasser zu fliegen. Zukünftig wird das Team das Flügeldesign verbessern, um Lenkfunktionen hinzuzufügen, und die Leistung unter turbulenten Bedingungen testen. Langfristig hofft man, das Fahrzeug zur Unterstützung der Meeresforschung einzusetzen. Diese Arbeit wurde teilweise durch ein Stipendium der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt.