Fix wechselt sie das Medium und kann per Anhalter reisen: Forscher haben eine Drohne entwickelt, die sich sowohl im Wasser als auch in der Luft fortbewegen kann und mit einem raffinierten „Haftorgan“ ausgerüstet ist. Mit ihrer vom Schiffshalter-Fisch inspirierten Saugscheibe kann sie sich stabil an Oberflächen im Wasser und an Land festsetzen, zeigen Tests. So könnte die Drohne etwa auch an Schiffsrümpfen oder Walbäuchen energiesparend auf die Reise gehen. Damit eignet sich das Konzept in spezieller Weise für die biologische und ökologische Überwachung von Meeresökosystemen, sagen die Wissenschaftler.
In immer raffinierteren Versionen sausen sie durch die Luft und auch für den Einsatz im Wasser haben Wissenschaftler schon viele autonome Robotik-Systeme entwickelt. Das Ziel eines Teams von Wissenschaftlern aus China, Großbritannien und der Schweiz ist es nun hingegen, leistungsstarke Kombinationen dieser Konzepte herzustellen. Denn die Möglichkeit eines flexiblen Wechsels zwischen den Medien Luft und Wasser könnte einige interessante Einsatzpotenziale vor allem in der Erkundung der Umwelt eröffnen.
Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung des aktuellen Modells des Teams war neben der Optimierung des Antriebssystems die Erweiterung der Reichweite, ohne dabei auf Akku-Systeme angewiesen zu sein. Denn Drohnen mehr Freiheit von Basisstationen zu ermöglichen, könnte ihr Potenzial für Forschungsmissionen in weitläufigen oder abgelegenen Gegenden verbessern. Nun präsentieren die Wissenschaftler den Prototyp einer Hybrid-Drohne, die sich für Einsätze sowohl in der Luft als auch im Wasser eignet und die ihren Energiebedarf durch „Trampen“ senken kann.
Raffinierte Propeller und biomimetische Haft-Kraft
Das Grundkonzept basiert dabei auf dem Bau herkömmlicher Quadrocopter-Drohnen mit vier Antriebseinheiten. Die besondere Anpassung für den Wechsel zwischen Wasser und Luft bildet das clevere Design der Rotoren: Beim Antrieb im flüssigen Medium nehmen die Blätter dieser Einheiten über ein flexibles Gelenk eine angewinkelte Stellung ein, um eher die Form einer Schiffsschraube zu bilden. Sobald sie aber über die Oberfläche gelangen, strecken sie sich durch die erhöhte Drehzahl und die damit verbundenen Fliehkräfte aus und bilden damit eine Propellerform. Diese passive Verwandlungsfähigkeit treibt die Drohne in beiden Medien optimal an und der Wechsel kann erstaunlich schnell erfolgen: Durch die Morphing-Propeller wird die Luft-Wasser-Grenze in 0,35 Sekunden überwunden, berichten die Forscher.
Für das Design des Haft-Elements der Hybrid-Drohne haben sich die Wissenschaftler von der Natur inspirieren lassen. Sie studierten im Detail das Organ, durch das sich der Schiffshalter-Fisch (Echeneis naucrates) an Meerestieren festsetzt, um sich von ihnen mitnehmen zu lassen. Es handelt sich um eine Scheibe, die aus unterschiedlichen Kammern aufgebaut ist. Sie ergeben ein Set aus Saugnäpfen, die per Unterdruck für anpassungsfähige Haftkraft sorgen. Die Kompartimente sichern dabei, dass die Verbindung auch auf komplex strukturierten Oberflächen halten kann. So bleibt der Schiffshalter-Fisch sogar problemlos an der Haut haften, wenn Delfin und Co. aus dem Wasser springen.
Per Anhalter unterwegs
Das neue Haft-Element, das die Forscher entwickelt haben, basiert nun auf dem gleichen Grundkonzept wie das fischige Vorbild. Ein elastisches Polymermaterial bildet dabei Kompartimente aus, die über hydraulische Systeme erzeugte Formveränderungen für Unterdruck sorgen, sobald das Element mit Oberflächen in Kontakt kommt. So ermöglicht es eine starke Haftung, die bei Bedarf über die Steuerung des Geräts leicht wieder gelöst werden kann. Der Prototyp der Entwickler besitzt ein solches Haftorgan oben und eines unten an seiner zentralen Einheit. Tests des Konzepts bestätigten, dass die Haftscheibe den Roboter nicht nur an nassen, sondern auch an trockenen Oberflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit sicher befestigen kann.
Auch in anwendungsbezogenen Versuchen bestätigte sich das praktische Potenzial des Konzepts: Die Wissenschaftler ließen die Hybrid-Drohne am Rumpf eines Wasserfahrzeugs andocken, um von ihm mitgenommen zu werden. Dabei entstanden Videoaufnahmen vom Meeresboden, etwa von Einsiedlerkrebsen, Jakobsmuscheln und Seegras. Dabei verbrauchte der trampende Roboter selbst kaum Energie. Bei den Tests konnte das Team außerdem dokumentieren, dass der Roboter sowohl in Süß- als auch in Salzwasser verschiedene Aufgaben erfüllen kann.
„Wir haben den Adhäsionsmechanismus der Schiffshalter-Fische erfolgreich technisch umsetzt und ihn mit Robotersystemen kombiniert, um neuartige Mobilitätsmethoden für die Robotik zu erreichen“, resümiert Co-Autor Mirko Kovac von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt in Dübendorf das Resultat der Arbeit. Abschließend schreiben die Wissenschaftler: „Wir glauben, dass unsere Ergebnisse nun den Weg ebnen für die Entwicklung von autonomen Robotern mit verschieden Funktionen in einer Vielzahl von Luft- und Wasserumgebungen“.
Quelle: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Fachartikel: Science Robotics, doi:10.1126/scirobotics.abm6695
Video © Empa (Quelle: Beihang University / Science Robotics)
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