Wenn man einem Vogel dabei zusieht, wie er sich auf einem Ast niederlässt, hat man den Eindruck, dass dies die einfachste Sache der Welt ist. In Wirklichkeit beinhaltet der Akt des Sitzens ein äußerst empfindliches Gleichgewicht zwischen Timing, hohen Aufprallkräften, Geschwindigkeit und Präzision. Diese Bewegung ist so komplex, dass es bisher noch keinem geflügelten Roboter oder Ornithopter gelungen ist, sie zu meistern.
Raphael Zufferey, Postdoktorand am Labor für Intelligente Systeme und am Labor für Biorobotik ( BioRob ) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik, ist der Hauptautor eines kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikels, in dem das einzigartige Fahrwerk beschrieben wird, das ein solches Ansitzen ermöglicht. Er hat es zusammen mit Kollegen der Universität Sevilla (Spanien) entwickelt und getestet, wo der 700 Gramm schwere Ornithopter im Rahmen des EU-Projekts GRIFFIN entwickelt wurde.
"Dies ist die erste Phase eines größeren Projekts. Wenn ein Ornithopter die Landung auf einem Ast eines Baumes selbstständig beherrscht, könnte er spezifische Aufgaben ausführen, wie z. B. unauffällig biologische Proben sammeln oder Messungen an einem Baum vornehmen. Letztendlich könnte er sogar auf künstlichen Strukturen landen, was neue Anwendungsbereiche eröffnen würde", erklärt Raphael Zufferey.
Er fügt hinzu, dass die Möglichkeit, auf einer Sitzstange zu landen, für Ornithopter - die wie viele ferngesteuerte Flugzeuge nur eine begrenzte Reichweite haben - eine effizientere Möglichkeit darstellen könnte, sich mithilfe von Solarenergie aufzuladen, was sie zu perfekten Werkzeugen für Langzeitmissionen machen könnte.
"Dies ist ein großer Schritt in Richtung des Einsatzes von geflügelten Robotern, die derzeit nur freie Flüge absolvieren können, für manipulative Aufgaben und andere Anwendungen in der realen Welt", fährt er fort.
Kraft und Präzision steigern, Gewicht und Geschwindigkeit reduzieren
Die technischen Probleme bei der Landung eines Ornithopters auf einer Sitzstange ohne externe Steuerung erforderten den Umgang mit vielen Faktoren, die die Natur bereits so perfekt ausbalanciert hat. Der Ornithopter musste in der Lage sein, beim Aufsetzen auf der Sitzstange deutlich abzubremsen, während er seinen Flug beibehielt. Die Kralle musste stark genug sein, um sich an der Sitzstange festzuhalten und das Gewicht des Roboters zu tragen, durfte aber nicht zu schwer sein, um in der Luft gehalten werden zu können. "Das ist einer der Gründe, warum wir uns für eine einzige Kralle und nicht für zwei entschieden haben", merkt Raphael Zufferey an. Schließlich musste der Roboter in der Lage sein, seine Umgebung und die Sitzstange vor ihm in Abhängigkeit von seiner Position, Geschwindigkeit und Flugbahn wahrzunehmen.
Die Wissenschaftler erreichten dies, indem sie den Ornithopter mit einem vollständig eingebetteten Computer und Navigationssystem ausstatteten, das durch ein externes System zur Bewegungserfassung ergänzt wurde, um ihm bei der Positionsbestimmung zu helfen. Das Anhängsel an der Klaue des Ornithopters war fein kalibriert, um die Schwingungen des Fluges auszugleichen, wenn er versuchte, sich auf die Sitzstange zu konzentrieren und sie zu umklammern. Die Kralle war so konstruiert, dass sie den Vorwärtsdrang des Roboters beim Aufprall abfing und sich schnell und fest schloss, um sein Gewicht zu tragen. Sobald der Roboter auf der Sitzstange sitzt, bleibt er dort, ohne Energie zu verbrauchen.
Trotz all dieser zu berücksichtigenden Faktoren gelang es Raphael Zufferey und seinen Kollegen, die Herausforderung zu meistern. Am Ende schufen sie nicht nur einen, sondern gleich zwei Krallenornithopter, um ihre Ergebnisse beim Ansitz zu reproduzieren.
Raphael Zufferey blickt bereits in die Zukunft und denkt darüber nach, wie ihr Gerät erweitert und verbessert werden könnte, insbesondere in einer Außenumgebung.
"Im Moment werden die Flugexperimente in Innenräumen durchgeführt, da wir den Flugbereich mit einer genauen Lokalisierung vom Motion-Capture-System aus kontrollieren müssen. Später möchten wir die Autonomie des Roboters erhöhen, damit er im Freien in einer unvorhersehbareren Umgebung Stangenarbeit und Manipulationen durchführen kann."
Referenzen
Zufferey, R., Tormo-Barbero, J., Feliu-Talegón, D. et al. How ornithopters can peak autonomously on a branch. Nat Commun 13, 7713 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467’022 -35356-5
