Dick, dünn, buckelig, glitschig…: Äste können viele unterschiedliche Merkmale besitzen und doch können Vögel auf den meisten Versionen problemlos landen. Offensichtlich kann die Funktion ihrer Krallen und Beine in Kombination mit dem Gleichgewichtssinn diese Anpassungsfähigkeit gewährleisten. Dabei handelt es sich um ein Natur-Konzept, das auch aus technischer Sicht interessant ist. Denn bisher sind die Landefähigkeiten von Fluggeräten auf Zielen mit unebener Oberfläche begrenzt. So rückten die Verfahren zum Greifen und stabilen Niederlassen bei Vögeln in den Fokus der Forscher um William Roderick von der Stanford University.
Die Grundlage ihrer technischen Umsetzung des Natur-Patents bildeten Untersuchungen des Landeverhaltens von kleinen Papageienvögeln. Die Wissenschaftler erfassten die Tiere dazu mittels Hochgeschwindigkeitskameras, während sie zwischen speziellen Sitzstangen hin- und herflogen. Die Ziele besaßen dabei verschiedene Größen und bestanden aus unterschiedlichen Materialien wie Holz, Schaumstoff, Sandpapier oder Teflon. Zudem verfügten die Sitzstangen über Sensoren, die die physikalischen Kräfte aufzeichneten, die beim Landen, Sitzen und Abheben der kleinen Papageienvögel auftraten.
Analyse des natürlichen Vorbilds
“Das Überraschende war, dass die Tiere unabhängig von der Oberfläche, auf der sie landeten, die gleichen Manöver ausführten”, berichtet Roderick. “Sie überließen es gleichsam den Füßen, auf die Variabilität und Komplexität der Oberflächenstruktur sinnvoll zu reagieren“. Es handelt sich also nicht um ein „überlegtes“ Verhalten, sondern um einen reflexartigen stereotypen Mechanismus, der den flexiblen Landefähigkeiten von Vögeln zugrunde liegt, erklären die Forscher. Dieses Prinzip und weitere Aspekte nutzten sie dann als Grundlage für die Entwicklung ihres Konzepts zur technischen Umsetzung des tierischen Systems.
So entstand schließlich der “Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper” (SNAG) – ein technisches Bein-Krallen-System, das an einer Quadrocopter-Drohne befestigt werden kann. Um der Größe des Quadrocopters dabei Rechnung zu tragen, wurden die Elemente von SNAG den Bein- und Krallenstrukturen von Falken nachempfunden. Die Knochen werden dabei durch 3D-gedruckte Kunststoffelemente imitiert und die Funktion von Muskeln und Sehnen übernehmen Motoren und Angelschnüre. Jedes Bein hat bei dem Konzept ein Antriebselement, um sich vor- und zurückzubewegen, und ein weiteres, um das Greifen zu ermöglichen.
Ebenfalls von den Strukturen und Verfahren bei den Vögeln inspiriert, absorbiert ein Mechanismus des Robotersystems die Aufprallenergie beim Landen und wandelt sie passiv in Greifkraft um. Das Ergebnis ist, dass SNAG über eine besonders starke und schnelle Kupplung verfügt, die innerhalb von 20 Millisekunden ausgelöst und geschlossen werden kann, erklären die Entwickler. Sobald der Mechanismus dann einen Ast im Griff hat, meldet ein integrierter Beschleunigungsmesser dem System die Landung und aktiviert eine Stabilisierungsfunktion: Ein spezieller Ausgleichsalgorithmus sorgt dabei dafür, dass die Drohne in eine stabile Lage gebracht wird.
