Ein Forschungsteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA hat erfolgreich einen neuen Mikroroboter entwickelt, der von Seevögeln inspiriert wurde. Der Roboter kann mit denselben Flügeln in der Luft fliegen und unter Wasser tauchen und ist beim Wechsel zwischen den beiden Umgebungen nicht auf zusätzliche mechanische Hardware angewiesen. Den medienübergreifenden Sprung vom Wasser in die Luft schafft es in weniger als einer Sekunde.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und stammten aus dem Labor des MIT-Maschinenbauingenieurs Raphael Zufferey. In der Natur können tauchende Seevögel wie Papageientaucher Fliegen und Schwimmen perfekt ausbalancieren, obwohl sie Luft und Wasser ausgesetzt sind, zwei Medien mit völlig unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Zufire sagte, dass es aus technischer Sicht in der Vergangenheit undenkbar schien, einen Flügel zu entwerfen, der sowohl in der Luft als auch im Wasser effizient funktionieren kann.
Dieser innovative Amphibienroboter wiegt nur etwa ein halbes Pfund (etwa 0,23 Kilogramm) und hat eine Flügelspannweite von fast drei Fuß (etwa 0,9 Meter). Um unnötige mechanische Komplexität zu vermeiden, nahm das Forschungs- und Entwicklungsteam beim Design deutliche Abstriche vor. Zunächst verzichtet der Roboter vollständig auf seine Beine. Seevögel verlassen sich in der Natur oft auf ihre Füße, um sich auf dem Wasser abzustoßen und so beim Abheben zu helfen. Für Roboter bedeutet das Hinzufügen von Beinen jedoch komplexere mechanische Herausforderungen. Das Team beschloss daher, die von den Flügeln erzeugte Kraft direkt zu nutzen, um den Roboter aus dem Wasser zu heben.
Zweitens unterscheidet er sich auch im Flügeldesign von echten Seevögeln. Viele Tauchvögel falten beim Tauchen ihre Flügel. Um den Einbau weiterer Gelenke und Motoren zu vermeiden, wandten sich die Forscher der Lösung dieses Problems zu, indem sie die Flügel flexibler machten. Die Flügel des Roboters bestehen aus durchscheinendem Nylongewebe und sind mit Kohlefaserstreben verstärkt. Diese Materialkombination verleiht den Flügeln genügend Robustheit, um sich an den Widerstand von Luft- und Wasserströmung anzupassen. Beim Flug in der Luft können seine Flügel ununterbrochen fünf bis sechs Mal pro Sekunde schlagen; Um aus dem Wasser auszubrechen, erhöht der Roboter sofort die Schlagfrequenz auf etwa zehn Mal pro Sekunde, um ausreichend Kraft zum Brechen des Wassers zu erzeugen.
Außer den Flügeln ist auch die Körperstruktur des Roboters einzigartig. Die zentrale Struktur weist ein offenes Design auf, wobei die internen Komponenten direkt sichtbar sind. Das Forschungsteam versiegelte nicht das gesamte System als Ganzes, sondern führte an jeder Komponente individuelle Abdichtungsbehandlungen durch. Zuffire erklärte, dass dieses Design es ermöglicht, das gesamte System mit Wasser zu füllen, wodurch der Roboter nicht nur leicht genug zum Fliegen bleibt, sondern auch einen neutralen Auftrieb unter Wasser aufrechterhält, sodass er nicht blind im Wasser treibt oder sinkt.
Bei Feldtests im Genfersee zeigte der Roboter beeindruckende Leistungen. Die Videoaufzeichnung zeigt, dass es auf der Wasseroberfläche nur eine schwache Welle gab und der Roboter in weniger als einer Sekunde aus dem Wasser ausbrach und direkt in die Luft flog.
Glenna Clifton, eine Tierbewegungsbiologin an der University of Portland, die nicht an dem Projekt beteiligt war, lobte die Ergebnisse. Clifton glaubt, dass dieser Roboter nicht nur eine herausragende technische Leistung, sondern auch ein wertvolles wissenschaftliches Forschungsinstrument ist. Es erklärt perfekt, wie die Biologie die Robotik inspiriert, und die Robotik wiederum hilft dem Menschen, den Mechanismus der biologischen Bewegung besser zu verstehen.
Bezüglich zukünftiger Anwendungsaussichten sagte das Forschungsteam, dass diese Technologie in tatsächlichen Szenarien großes Potenzial habe. Ein Roboter, der zu fernen Meeren fliegen, landen und ins Wasser tauchen kann, um Daten zu sammeln, wäre äußerst nützlich für die Überwachung von Küstenumgebungen, etwa zur Verfolgung von Algenblüten, zur Beobachtung von Meereslebewesen oder zur Untersuchung der Entwicklung von Küstenlinien.
Derzeit wird erwartet, dass der Roboter mit einer einzigen Ladung fast vier Meilen (ungefähr 6,4 Kilometer) fliegen oder mehr als eine Meile (ungefähr 1,6 Kilometer) unter Wasser schwimmen kann. Clifton wies darauf hin, dass die Fähigkeit, eine so hervorragende Leistung unter Berücksichtigung zweier extremer Umgebungen aufrechtzuerhalten und frei zwischen beiden zu wechseln, zweifellos ein Meilenstein auf dem Gebiet der medienübergreifenden See- und Luftroboter ist.
Das Projekt wurde über einen Zeitraum von etwa zwei Jahren entwickelt. Berichten zufolge arbeitet das Team derzeit an Upgrades und Verbesserungen. Zukünftige Versionen sollen voraussichtlich mit professionelleren Sensoren zur Datenerfassung ausgestattet sein und ihre Bewegungsalgorithmen weiter optimieren.