Ein Roboter als fliegender Fisch

Von der Natur abgeschaut: Forscher haben einen Roboter konzipiert, der vom Wasser aus in die Luft abheben kann. Als Inspiration für die neue Entwicklung dienten fliegende Fische: Wie diese Tiere kann sich das Gefährt selbst bei Wellengang in die Luft katapultieren und dann im Flug über die Wasseroberfläche hinweggleiten. Künftig könnte der Roboter nach Flugfisch-Vorbild zum Beispiel in Hochwassergebieten zum Einsatz kommen.

Roboter unterstützen nicht nur im Haushalt, am Fließband oder im OP-Saal. Sie eignen sich auch für den Einsatz in schwer zugänglichem Gelände – zum Beispiel im Katastrophenfall. Um die technischen Helfer für solche Aufgaben auszurüsten, schauen Forscher immer wieder bei der Natur ab. So gibt es Roboter, die Schaben imitieren oder den Gang von Stabheuschrecken. Andere können springen wie Primaten oder orientieren sich nach dem Fledermaus-Prinzip mithilfe der Echoortung.

Auch Raphael Zufferey vom Imperial College London und sein Team haben sich für ihre neueste Entwicklung ein tierisches Vorbild genommen: fliegende Fische. Ihr kleiner Roboter kann sich wie diese Tiere aus dem Wasser katapultieren, kurze Strecken im Gleitflug zurücklegen und dann wieder auf der Wasseroberfläche landen.

Übersicht über die Funktionsweise des Roboters nach Flugfisch-Vorbild. © Zufferey et al., Sci. Robot. 4, eaax7330 (2019)

Vom Wasser in die Luft

Dem Roboter diese Fähigkeit zu verleihen, war keine leichte Aufgabe, wie die Wissenschaftler berichten. Das Problem: Der Sprung vom Wasser in die Luft benötigt viel Energie und dafür entsprechende Technik an Bord – gleichzeitig muss der Roboter für den Flug jedoch möglichst leicht sein.

Zufferey und seine Kollegen haben für dieses Dilemma eine clevere Lösung entwickelt: Ihr Roboter trägt nur einen Vorrat von 0,2 Gramm Calciumcarbid-Pulver mit sich und verfügt lediglich über ein bewegliches Element – eine Pumpe, die den „fliegenden Fisch“ mit Wasser aus der Umgebung versorgt. Der Clou: Das Calciumcarbid reagiert in einer kleinen Reaktionskammer mit Wasser zu Acetylengas, das als Brennstoff verwendet werden kann.

Acetylengas als Brennstoff

Konkret funktioniert das so: Wenn sich das Acetylengas entzündet und ausdehnt, drückt es das Wasser aus der Reaktionskammer nach draußen. Der dabei entstehende Jet katapultiert den Roboter dann in die Luft. „Wir haben mit Wasser reagierende Chemikalien genutzt, damit der Roboter weniger Material mit sich schleppen muss. Außerdem funktioniert unser Verbrennungssystem mit nur einem beweglichen Bauteil“, erklärt Zuffereys Kollege Mirko Kovac.

Dadurch bleibt der Roboter erstaunlich leicht: Nur 160 Gramm wiegt der Prototyp nach Flugfisch-Vorbild. Die impulsive Kraft, mit der das Gefährt in die Luft gehoben wird, ist dafür umso größer. Sie entspricht dem Team zufolge dem 25-Fachen des Robotergewichts.

Abflug geglückt: Auch den Praxistest hat der Roboter bestanden. © Zufferey et al., Sci. Robot. 4, eaax7330 (2019)

Abflug geglückt

Wie gut aber funktioniert die Entwicklung? Die Forscher testeten den Roboter sowohl unter Laborbedingungen in einem Wassertank als auch auf einem echten See. Dabei zeigte sich: Das Gefährt schafft den Sprung vom Wasser in die Luft problemlos. Dank seiner Tragflächen kann es danach eine Strecke von bis zu 26 Metern im Gleitflug zurücklegen. Dabei ist es dem Roboter prinzipiell auch möglich, mehrmals hintereinander zu landen und wieder abzuheben.

Sogar unter unruhigen Bedingungen meistert der Prototyp seine Aufgabe bereits ohne Schwierigkeiten. Wie die Wissenschaftler berichten, kann er auch bei Wellengang abheben. Lediglich sehr große Wellen bringen ihn bisweilen zum Umkippen, was den Abflug unmöglich macht.

Einsatz bei Hochwasser?

Zufferey und seine Kollegen wollen ihren schwimmenden und fliegenden Roboter in einem nächsten Schritt auch in anderen Umgebungen auf die Probe stellen, zum Beispiel rund um Korallenriffe oder Bohrplattformen im Meer. Bewährt sich die Entwicklung, könnte sie in Zukunft in überfluteten Gebieten zum Einsatz kommen oder bei der Ozeanforschung helfen. „Diese Art von Roboter ist sehr nützlich für Umgebungen, die normalerweise nur zeit- und ressourcenintensiv zu überwachen sind“, schließt Zufferey. (Science Robotics, 2019; doi: 10.1126/scirobotics.aax7330)

Quelle: AAAS/ Imperial College London