Das von der EPFL und dem MIT entwickelte Amphibienflugzeug ist von tauchenden Tieren inspiriert: Es startet, taucht, taucht wieder auf und kehrt in die Luft zurück, ohne den Antrieb zu ändern.

Das Überwinden der Grenze zwischen Luft und Wasser stellt eine der komplexesten Herausforderungen in der Robotik dar. Die beiden Umgebungen weisen grundverschiedene physikalische Eigenschaften auf: Wasser ist etwa tausendmal dichter als Luft und erfordert völlig andere Antriebs-, Steuerungs- und Energienutzungsstrategien. Aus diesem Grund verwendeten bisher entwickelte Amphibienroboter in der Regel separate Systeme für Flug und Schwimmen oder waren auf Propeller, Schwimmer oder Startrampen angewiesen, um wieder in die Luft zu gelangen.

Eine Gruppe von Forschern aus cole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat stattdessen gezeigt, dass es möglich ist, beide Fortbewegungsarten mit einer einzigen mechanischen Architektur zu realisieren. Das Ergebnis ist die Luft-Wasser-Fahrzeug mit Flügelschlagmechanismus (FAAV)Ein bioinspirierter Roboter, der unter Wasser schwimmen, die Wasseroberfläche durchbrechen und sofort wieder fliegen kann, indem er einfach weiter mit den Flügeln schlägt. Die Studie wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht. Forschung.

Das Projekt basiert auf der Beobachtung einer kleinen Gruppe von Seevögeln, die sich in beiden Umgebungen effizient orientieren können. Seetaucher, Möwen, Papageientaucher und Sturmvögel nutzen dieselben Flügel, um im Flug Auftrieb und beim Schwimmen Vortrieb zu erzeugen und passen ihre Bewegungen so den Eigenschaften des jeweiligen Gewässers an. Die Übertragung dieser Fähigkeit auf ein Robotersystem erforderte jahrelange Studien zur Tierbiomechanik und zahlreiche experimentelle Versuche.

Der Hauptforschungsmanager ist Raphael Zufferey, jetzt Assistenzprofessor am MIT nach einem Forschungsaufenthalt an der EPFL. Das ursprüngliche Ziel war weniger die Entwicklung einer neuen Amphibiendrohne als vielmehr das Verständnis der Prinzipien, die es tauchenden Vögeln ermöglichen, einen Übergang zu meistern, der aus ingenieurtechnischer Sicht extrem schwierig erscheint.

Flexible Flügel und ein einziger Antrieb für zwei gegensätzliche Umgebungen

Das FAAV wiegt weniger als 300 Gramm Es besteht aus einem wasserdichten Mittelteil des Rumpfes, zwei flexiblen Flügeln und einem schwenkbaren Leitwerk. Im Inneren befinden sich eine Batterie und ein wasserdichter Elektromotor, der über eine Kurbelwelle die Flügel in Schwingung versetzt, die sowohl zum Schwimmen als auch zum Fliegen notwendig ist. Die Flügelmembranen sind außerdem mit … bedeckt. hydrophobe Nanopartikeldie ein schnelles Ablösen des Wassers beim Auftauchen begünstigen.

Einer der interessantesten Aspekte betrifft die Modularität des Systems. Die Forscher haben drei verschiedene Flügelkonfigurationen mit Öffnungen von 60, 80 und 100 ZentimeterZiel der Tests war es, herauszufinden, welche Kombination den besten Kompromiss zwischen Auftrieb, Schubkraft und Manövrierfähigkeit bot. Die Tests zeigten, dass die Zwischenlösung 80 cm gewährleistet ein optimales Verhalten sowohl im Wasser als auch in der Luft.

Die Flexibilität der Flügel hat sich als ebenso entscheidend erwiesen. Zu starre Strukturen verbessern zwar den Flug, erhöhen aber den hydrodynamischen Widerstand; übermäßig verformbare Flügel erleichtern das Schwimmen, erzeugen aber nach dem Auftauchen nicht genügend Auftrieb. Optimales Verhalten resultiert somit aus einem Kompromiss, der demjenigen, der sich bei Seevögeln über Millionen von Jahren entwickelt hat, sehr ähnlich ist.

Tests zwischen dem Versuchstank der Universität und dem Genfersee

Um die Funktionsfähigkeit des Roboters zu überprüfen, führte die Gruppe zunächst in einem Versuchstank und anschließend in einem großen Aquarium eine lange Reihe von Tests durch. Genfer SeeIn der Schweiz. Bei jedem Test wurde das Fahrzeug in etwa einem halben Meter Tiefe positioniert und mit unterschiedlichen Flügelschlagfrequenzen und Leitwerksneigungen programmiert. Ziel war es, die Kombinationen zu ermitteln, die einen stabilen Übergang vom Wasser in die Luft ohne Kontrollverlust gewährleisten.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Roboter mit Geschwindigkeiten nahe an ein Meter pro Sekunde mit einer Häufigkeit von ungefähr fünf Schläge pro SekundeIm Flug erreicht es ungefähr sechs Meter pro Sekunde Die Frequenz bleibt dabei ähnlich. Die Leistung liegt überraschend nahe an den Werten, die bei tauchenden Vögeln vergleichbarer Größe beobachtet wurden.

Die heikelste Phase ist das Überqueren der Wasseroberfläche. Um zu verhindern, dass die Flügelspitzen beim Flügelschlag das Wasser berühren, muss der Roboter eine Neigung von etwa 70 GradEin zu geringer Anstellwinkel verhindert den Start, während ein zu hoher Anstellwinkel das Risiko eines sofortigen Rücksturzes ins Wasser erhöht. Die Kombination aus Spannweite, Schwingungsfrequenz und Leitwerksneigung erzeugt daher ein äußerst präzises Gleichgewicht, das es dem FAAV ermöglicht, ohne Unterbrechung der Flügelbewegung von einer Umgebung in eine andere zu wechseln.

Der Start gelingt ohne die Hilfe von Beinen oder separaten Triebwerken.

Die von den Forschern identifizierte Kombination ermöglicht es dem FAAV, die gesamte Sequenz ohne zusätzliche Propeller, Schwimmkörper oder andere Triebwerke zu absolvieren. Nachdem das Fahrzeug untergetaucht ist, richtet es sich mithilfe seines angetriebenen Hecks nach oben aus, schlägt weiter mit den Flügeln und nutzt den angesammelten Schub, um aufzutauchen. Sobald der Rumpf über die Wasseroberfläche steigt, erzeugt dieselbe Bewegung den nötigen Auftrieb für den weiteren Flug.

Die Fähigkeit, diesen Übergang ohne Beineinsatz zu vollziehen, unterscheidet den Roboter auch vom Verhalten vieler tauchender Vögel. Mehrere Arten paddeln an der Wasseroberfläche, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, bevor sie abheben, wenn sie wieder an Höhe gewinnen müssen. Der zwischen Lausanne e Cambridge Stattdessen gelingt es ihm, den Herzschlag unter Wasser direkt in ein Startmanöver umzuwandeln.

Raphael Zufferey Er erklärte, dass gerade das Fehlen eines den Beinen gleichwertigen Apparats eine der zentralen Fragen der Forschung sei.

„Wenn man sich Vögel ansieht, müssen die meisten von ihnen mit den Füßen an der Wasseroberfläche paddeln, um abzuheben. Die Frage war, ob das bei Robotern auch nötig sei, aber wir haben festgestellt, dass es nicht so ist. Niemandem war es bisher gelungen, mit den Flügeln aus dem Wasser zu fliegen.“

Das Ergebnis hängt nicht von einer einzelnen Komponente ab, sondern von der Wechselwirkung zwischen FlügelgeometrieMembranelastizität, Schwingungsfrequenz und Hecktrimmung sind entscheidende Faktoren. Schon geringe Abweichungen dieser Parameter können das Auftauchen verhindern oder den Übergang in den Flug instabil machen. Das FAAV funktioniert daher als integriertes System, dessen Mechanik sich gleichzeitig an den hydrodynamischen Widerstand und die aerodynamischen Anforderungen anpassen muss.

Der Vergleich mit Tieren ermöglichte zudem die kontrollierte Untersuchung einiger Prinzipien, die in der Natur schwer zu isolieren sind. Vögel verändern ständig ihre Körperhaltung, Gelenke und Herzschlagamplitude; der Roboter hingegen …

Es ermöglicht die präzise Einstellung von Werten und die Beobachtung, wie sich jede Wahl auf Geschwindigkeit, Stabilität und die Fähigkeit, die Oberfläche zu überqueren, auswirkt. Der Prototyp wird somit nicht nur zu einem möglichen Einsatzmittel, sondern auch zu einem Werkzeug zur Analyse der Biomechanik der Amphibienfortbewegung.

Von Eisbergen bis zu Häfen – die bereits erdachten Missionen auf See

Die von der Gruppe betrachteten Anträge betreffen hauptsächlich dieMeeresforschung und die Datenerfassung in Gebieten, die für herkömmliche Schiffe schwierig oder riskant sind. Ein leichtes Fahrzeug könnte von der Küste oder einem Schiff aus starten, schnell zum Untersuchungsgebiet fliegen, tauchen, um Messungen durchzuführen oder Proben zu entnehmen, und anschließend mit den gesammelten Informationen zur Basis zurückkehren.

Beispiele hierfür sind: EisbergHafeninfrastruktur und Gebiete, die von Walen und Delfinen frequentiert werden. In all diesen Umgebungen würde die Möglichkeit, zwischen Luft und Wasser zu wechseln, die Notwendigkeit vermeiden, zwei verschiedene Mittel – eines in der Luft und eines unter Wasser – zu verwenden oder das Gerät nach jedem Tauchgang manuell zu bergen.

Zufferey beschrieb eine mögliche Mission, bei der Ozeanographen, Meeresbiologen und Küstengemeinden den Roboter von einem Boot oder direkt vom Ufer aus starten würden.

„Unsere Vision ist es, dass der Roboter in die Nähe eines interessanten Gebiets fliegt – beispielsweise eines Eisbergs, einer Hafenanlage oder einer Walgruppe –, taucht, um eine Messung durchzuführen oder eine Probe zu entnehmen, und dann zurückkehrt, um die Daten zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden zu liefern. Anschließend könnte er zu einem weiteren Tauchgang aufbrechen.“

Die Bezugnahme auf Kosten stellt noch keine vollständige wirtschaftliche Bewertung dar. Die FAAV bleibt eine experimenteller Prototyp Die Studie bietet keinen praktischen Vergleich mit ozeanografischen Schiffen, autonomen Unterwasserfahrzeugen oder kommerziellen Drohnen. Der potenzielle Vorteil ergibt sich primär aus der Reduzierung von Start- und Bergungsvorgängen sowie der Fähigkeit, im Flug Strecken zurückzulegen, die ein kleines Unterwasserfahrzeug langsamer bewältigen könnte.

Selbst ein Gewicht von unter 300 Gramm birgt sowohl Chancen als auch Einschränkungen. Ein solch leichtes Gerät lässt sich zwar einfach transportieren und einsetzen, bietet aber nur begrenzten Platz für Batterien, Messgeräte und Probenbehälter. Für wissenschaftliche Anwendungen sind daher Sensoren erforderlich, die mit dem verfügbaren Gewicht kompatibel sind und wirksam vor Salzwasser, Stößen und Wellenbelastung geschützt werden.

Wenden, Wind und raue See sind die nächsten Bewährungsproben.

Das Team modifiziert derzeit die Flügel, um neben der bereits getesteten Vertikalbewegung auch Kurvenfahrten zu ermöglichen. Die aktuelle Konfiguration demonstriert den fließenden Übergang zwischen Schwimmen, Auftauchen und Fliegen. Ein für reale Einsätze vorgesehenes Fahrzeug muss sich jedoch präzise orientieren, seinen Kurs korrigieren und auf Störungen reagieren können, ohne auf ruhige Bedingungen angewiesen zu sein.

Die nachfolgenden Tests werden sich mit Situationen befassen, die denen auf offener See näherkommen: unruhige GewässerTurbulenzen beim Auftauchen und Wind während der Flugphase können die Funktionsweise beeinträchtigen. Tests im Genfersee haben das Funktionsprinzip bestätigt, jedoch können unregelmäßige Wellen und Böen den Winkel, in dem der Roboter die Wasseroberfläche erreicht, verändern, die Flügel erneut benetzen oder den Übergang von einem Fluid zum anderen destabilisieren.

Es muss außerdem noch geklärt werden, wie lange das Fahrzeug operieren kann, welche wissenschaftliche Nutzlast es transportieren kann und wie zuverlässig es zahlreiche aufeinanderfolgende Übergänge wiederholen kann. Diese Elemente unterscheiden die experimentelle Demonstration von einer tatsächlichen ozeanografischen Anwendung und müssen in umfangreicheren Kampagnen gemessen werden.

An der Studie sind neben der EPFL und dem MIT auch Forscher der anderen beteiligt. Northwest Indian College in den Vereinigten Staaten. Die Arbeit wurde teilweise durch ein Stipendium der Marie-Skłodowska-Curie-Aktionen und von Schweizerischer NationalfondsDie Veröffentlichung über Forschung Es dokumentiert vor allem eine mechanische Leistung: Ein einflügeliges Gerät kann unter Wasser den notwendigen Schub und in der Luft den erforderlichen Auftrieb erzeugen, ohne die Bewegung beim Auftauchen zu unterbrechen.

Bevor diese Architektur zum Standardwerkzeug für Ozeanographen und Meeresbiologen werden kann, sind umfassendere Leitsysteme, eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und eine für Messungen und Probenahmen geeignete Tragfähigkeit erforderlich. Das FAAV hat jedoch das Grundprinzip verdeutlicht: Für den Wechsel zwischen Meer und Luft ist es nicht zwingend notwendig, zwei verschiedene Fahrzeuge zu kombinieren, solange Flügel, Leitwerk und Lageregelung für beide Umgebungen ausgelegt sind.

Drei zentrale Einsichten, die besonders hervorzuheben sind:

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