"Luftlinie" ist ein gängiger Ausdruck, der die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten bezeichnet. Das von Dario Floreano geleitete Labor für Intelligente Systeme der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL hat diesen Ausdruck mit RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) wörtlich genommen. Die multifunktionalen Roboterbeine ermöglichen es ihm, selbstständig in Umgebungen zu fliegen, die zuvor für geflügelte Drohnen unzugänglich waren.
"Vögel haben die Entwicklung von Flugzeugen inspiriert und die Gebrüder Wright haben den Traum vom Fliegen für Menschen wahr werden lassen. Dennoch sind selbst die heutigen Flugzeuge noch weit von dem entfernt, was Vögel können", sagt Won Dong Shin, Doktorand am LIS. "Vögel können abwechselnd gehen und laufen, um wegzufliegen oder zu landen, ohne die Hilfe einer Startbahn oder eines Startgeräts. In der Robotik fehlen noch die technischen Plattformen für diese Art von Bewegungen."
Das Design von RAVEN zielt darauf ab, die Gangvielfalt zu maximieren und gleichzeitig die Masse zu reduzieren. Inspiriert von den Proportionen von Vogelbeinen (und langen Sichtungen von Krähen auf dem Campus der EPFL), entwarf Won Dong Shin ein Paar individueller, multifunktionaler Vogelbeine für eine Starrflügeldrohne. Er verwendete eine Kombination aus mathematischen Modellen, Computersimulationen und experimentellen Iterationen, um ein optimales Gleichgewicht zwischen der Komplexität der Beine und dem Gesamtgewicht der Drohne (0,62 kg) zu erreichen. Das so entstandene Bein hält die schwersten Komponenten nahe am "Körper", während eine Kombination aus Federn und Motoren die starken Sehnen und Muskeln von Vögeln nachahmt. Die von Vögeln inspirierten leichten Füße bestehen aus zwei gelenkigen Strukturen und machen sich ein passives elastisches Gelenk zunutze, das verschiedene Haltungen beim Gehen, Hüpfen und Springen unterstützt.
"Die Umsetzung der Vogelbeine und -füße in ein leichtgewichtiges Robotersystem konfrontierte uns mit Design-, Integrations- und Steuerungsproblemen, die Vögel im Laufe der Evolution elegant gelöst haben", sagt Dario Floreano. "Das hat uns nicht nur dazu gebracht, die bislang multimodalste geflügelte Drohne zu erfinden, sondern auch die Energieeffizienz des Sprungs zum Abheben sowohl für Vögel als auch für Drohnen zu beleuchten." Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Besserer Zugang für Lieferungen oder Katastrophenhilfe.
Ältere Roboter, die zum Gehen entworfen wurden, waren zu schwer, um zu springen, während die zum Springen geschaffenen Roboter keine zum Gehen geeigneten Füße hatten. Das einzigartige Design von RAVEN ermöglicht es ihm, zu gehen, Löcher zu überwinden und sogar auf eine 26 Zentimeter hohe, erhöhte Fläche zu springen. Die Wissenschaftler experimentierten auch mit verschiedenen Arten der Fluginitiierung, darunter das Fliegen aus dem Stand und im freien Fall. Sie stellten fest, dass der Sprung zum Abheben die effizienteste Nutzung der kinetischen Energie (Geschwindigkeit) und der potenziellen Energie (Höhengewinn) ermöglichte. Die Wissenschaftler des LIS schlossen sich mit Auke Ijspeert vom Labor für Biorobotik der EPFL und Monica Daleys Labor für Neuromechanik der Universität von Kalifornien in Irvine zusammen, um die Vogelbiomechanik an die Roboterfortbewegung anzupassen.Diese Ergebnisse sind ein erster Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Design- und Steuerungsprinzipien multimodaler Flugtiere und ihrer Umsetzung in agile, energiesparende Drohnen.
Dario Floreano, Direktor, Labor für Intelligente Systeme
Neben der Ermittlung von Kosten und Nutzen der kräftigen Beine von Vögeln, die oft zwischen Luft und Boden wechseln, bieten die Ergebnisse ein Leichtbaudesign für geflügelte Drohnen, die sich ohne menschliches Zutun über unebenes Gelände bewegen und von begrenzten Orten aus abheben können. Diese Fähigkeiten ermöglichen den Einsatz solcher Drohnen für Inspektionen, zur Abschwächung der Auswirkungen von Katastrophen und für die Auslieferung in begrenzten Gebieten. Das Team der EPFL arbeitet bereits daran, das Design und die Steuerung der Beine zu verbessern, um die Landung in verschiedenen Umgebungen zu erleichtern.
"Die Flügel der Vögel sind vergleichbar mit den Vorderbeinen bei terrestrischen Vierbeinern, aber wir wissen wenig über die Koordination von Beinen und Flügeln bei Vögeln, ganz zu schweigen von Drohnen. Diese Ergebnisse sind ein erster Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Design- und Steuerungsprinzipien multimodaler Flugtiere und ihrer Umsetzung in agile, energiesparende Drohnen", erklärt Dario Floreano.
