Verbessertes Design: Ein neuer Roboter mit zwei flügelartigen Flossen kann sowohl schwimmen als auch tauchen. Dabei ist er schneller und energieeffizienter als seine Vorgänger. Bei seiner Schwimmtechnik haben sich die Ingenieure von Mantarochen inspirieren lassen, um die Bewegungen im Wasser besser kontrollieren zu können. Roboter wie dieser könnten künftig zur Erforschung der Tiefsee oder der Umwelt genutzt werden. Dafür müssen sie jedoch erst noch lernen, auch abzubiegen und ihren eigenen Antrieb mit sich zu führen.
Bei der Entwicklung von technischen Geräten lassen sich Ingenieure regelmäßig von der Natur inspirieren, um möglichst effiziente Mechanismen zu finden. Für Flug-, Lauf- und Springroboter dienen oft Insekten oder andere Landtiere als Vorbild. Bei Schwimm- und Tauchrobotern schauen sich Forscher das Schwimmverhalten von Fischen und anderen Meerestieren ab, um genauso schnell, wendig und effizient durchs Wasser gleiten zu können.
Ziel ist es, Roboter zu entwickeln, mit denen sich beispielsweise die Tiefsee erforschen oder Umweltveränderungen unter und über der Meeresoberfläche erkennen lassen. Auch Metall und Munition am Meeresgrund können sie detektieren.
Vorbild Mantarochen
Forschende um Haitao Qing von der North Carolina State University haben nun einen solchen Roboter entwickelt, indem sie sich die Schwimmtechnik und Strömungsdynamik von Mantarochen abgeschaut haben. „Wenn Mantarochen schwimmen, produzieren sie zwei Wasserströmungen, die sie vorwärtsbewegen. Um ihre Tauchbahn zu verändern, passen sie ihre Schwimmbewegungen an. Wir haben eine ähnliche Technik zur Steuerung der Bewegungen unseres Roboters angewendet“, erklärt Koautor Jiacheng Guo von der University of Virginia.
Die beiden flügelartigen Flossen des Schwimmroboters haben dieselbe Dreiecksform wie die der flachen Fische. Die Flossenflächen bestehen aus einer biegsamen dünnen Folie und die Flossenkanten aus einem stabileren, 0,5 Millimeter dicken Polyester-Material, das die Flossen beim Schwimmen auch in dieser Dreiecksform hält. Zusammen hatten die beiden Flossen je nach Modell eine Spannweite von rund 16 bis 19 Zentimetern.
Der zentrale längliche Körper des Roboters besteht hingegen aus einem weichen und flexiblen Silikon mit einem Hohlraum. Wird diese Kammer mit Druckluft vollgepumpt, biegt sich der Körper und in der Folge biegen sich auch die Flossen nach unten. Wird die Luft wieder abgelassen, klappen die Flossen durch die Rückstellkraft spontan in ihre Ausgangsposition zurück. Dabei entstehen ähnliche Wasserströmungen und -wirbel wie bei den Rochen, die den Roboter vorwärtsbewegen, wie das Team berichtet.
Bislang schnellster Schwimmroboter
Durch dieses Design müssen die Flossen auch nur noch für ihre Abwärtsbewegung angetrieben werden, den Rest machen sie von allein. Dadurch lässt sich der Roboter schneller steuern und fortbewegen, wie Tests zeigten. „Unser neuer Softroboter ist dank seines verbesserten Designs energieeffizienter als sein Vorgängermodell und erreicht eine Geschwindigkeit von 6,8 Körperlängen pro Sekunde“, berichtet Seniorautor Jie Yin von der North Carolina State University. Damit ist er etwa doppelt so schnell wie sein Vorgänger und der bislang schnellste Schwimmroboter.
Aber lässt sich der Roboter auch in freiem Wasser für die Forschung nutzen? Um das herauszufinden, entfernten die Forscher den kabelgebunden Antrieb und banden stattdessen eine Art Bootsanhänger mit der benötigten Batterie und Luftpumpe an den Roboter. Dann ließen sie ihn den Anhänger an der Wasseroberfläche hinter sich herziehen.
Dieser Versuch ergab, dass der 2,2 Gramm leichte Manta-Roboter beim Geradeausschwimmen auch das Gewicht seiner eigenen Luft- und Energiequelle bewältigen kann. Seine Maximalgeschwindigkeit sinkt dann zwar auf 1,35 Körperlängen pro Sekunde, damit ist er aber immer noch schneller und effektiver als die meisten anderen Schwimmroboter.
Roboter taucht erstmals auch auf und ab
Zudem lässt sich über die Luftzufuhr erstmals auch der Auftrieb des Roboters regulieren: „Simulationen und Experimente haben uns gezeigt, dass der von unserem Roboter erzeugte Abwärtsstrahl stärker ist als sein Aufwärtsstrahl“, sagt Koautor Yuanhang Zhu von der University of California in Riverside. Grund dafür ist die kurze Pause zwischen den Flossenschlägen, in denen die Luftkammer leer ist, was den Auftrieb verringert.
„Je schneller der Roboter mit den Flossen schlägt, desto länger ist die Luftkammer gefüllt und desto mehr Auftrieb hat er“, erklärt Qing. Wenn der Roboter schnell mit den Flossen schlägt, steigt er also nach oben. „Wenn wir aber die Schlagfrequenz verlangsamen, kann der Roboter zwischen den Flossenschlägen leicht sinken – so kann er entweder nach unten tauchen oder in der gleichen Tiefe schwimmen“, erklärt Zhu.
Wendiger Taucher?
„Das Vorgängermodell konnte nur an der Wasseroberfläche schwimmen. Unser neuer Roboter ist in der Lage, auf und ab zu schwimmen“, sagt Yin. Wie gut sich ihr Tauchroboter steuern und seine Tauchtiefe kontrollieren lässt, testeten die Forschenden mit einem Parcours in einem Aquarium. Dabei zeigte sich, dass der Roboter tatsächlich so präzise manövriert werden kann, dass er die Hindernisse in unterschiedlichen Tiefen überwindet.
Was der Roboter allerdings noch nicht kann, ist abbiegen. „Wir arbeiten noch an Techniken, die uns eine feine Kontrolle über seitliche Bewegungen ermöglichen“, sagt Guo. Zudem suchen die Ingenieure noch nach Wegen, um den Luftpumpen-Antrieb in den Roboter zu integrieren, statt ihn an einem Beiboot anzuhängen. (Science Advances, 2024; doi: 10.1126/sciadv.adq4222)
Quelle: North Carolina State University
