Vögel haben das sichere Landen auf Ast und Co bekanntlich buchstäblich im Griff. Nach dem Vorbild ihres Bein-Krallen-Systems haben Forscher nun ein Robotik-Konzept entwickelt, das es Drohnen ermöglicht, sich auf Ästen niederzulassen oder Objekte zu greifen. „SNAG“ könnte es zukünftig Fluggeräten bei der Erkundung von natürlichen Umgebungen ermöglichen, energiesparende Pausen einzulegen.
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.
Vielversprechende Testergebnisse
Die Leistungsfähigkeit des Systems stellten die Forscher bereits durch praktische Tests unter Beweis. So konnten sie verdeutlichen, dass eine mit SNAG ausgerüstete Drohne auf unterschiedlich gestalteten Objekten sicher landen kann. Außerdem lassen sich kleine Gegenstände greifen und wegtragen. Die Techno-Krallen reagieren bei Kontakt sogar so schnell, dass sie zugeworfene Objekte wie einen mit Bohnen gefüllten Sack oder einen Tennisball ergreifen können, dokumentierten die Experimente.
Die Leistungsfähigkeit von SNAP zeigte sich auch unter natürlichen Bedingungen: Landungstests auf Ästen in einem Wald führten zu vielversprechenden Ergebnissen, berichten die Wissenschaftler. Bei der Weiterentwicklung des Konzepts wollen sie sich nun auf die Verbesserung der Vorbereitung von Landungen in den komplexen Umgebungen konzentrieren. Dazu ist etwa eine Optimierung der Fähigkeiten zur Situations-Erfassung und zur Flugkontrolle des Robotersystems nötig.
Ausgereift könnte das Landungssystem einige Anwendungsmöglichkeiten bieten, sagen Roderick und seine Kollegen. Das Potenzial liegt dabei vor allem in Flugpausen. Denn der hohe Energiebedarf und fehlende Landemöglichkeiten können die Einsatzfähigkeit von Drohnen bisher stark einschränken. Ein möglicher Anwendungsbereich des Systems wäre etwa bei Such- und Rettungseinsätzen oder zur Überwachung von Waldbränden. Besonders heben die Forscher allerdings Einsatzmöglichkeiten für SNAG in der Umweltforschung hervor: “Ein Teil der Motivation für diese Arbeit bestand darin, Werkzeuge zu entwickeln, die wir zur Erforschung der natürlichen Welt einsetzen können”, so Roderick. “Wenn wir einen Roboter haben, der sich wie ein Vogel verhalten kann, könnte das völlig neue Wege zur Erforschung der Umwelt eröffnen”, sagt der Wissenschaftler.
Quelle: Stanford University, Fachartikel: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abj7562
Der Flaschenhals der Energiewende
