Faszination Technik Inspiriert vom Papageientaucher: Roboter fliegt, schwimmt und taucht

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein flügelschlagender Roboter, der schwimmt und fliegt wie ein tauchender Vogel.

Seetaucher, Möwen, Papageientaucher und Sturmvögel gehören zu den rund 100 Vogelarten, die sowohl fliegen, als auch schwimmen können. Diese Tauchvögel stürzen sich ins Wasser, um nach Beute zu jagen, und erheben sich anschließend wieder in die Luft. Inspiriert von diesen natürlichen „Amphibien“ haben Ingenieure der EPFL und des MIT nun einen Roboter entwickelt, der unter Wasser schwimmen und anschließend aus dem Wasser herausfliegen kann – ganz ähnlich wie diese Vögel.
Das sogenannte „flapping‑wing aerial‑aquatic vehicle“ (FAAV) wiegt weniger als 300 Gramm und soll Forschern helfen, die Mechanik zu untersuchen, die es Tauchvögeln ermöglicht, sich sowohl in der Luft als auch im Wasser fortzubewegen. Der Roboter besteht aus einem zentralen Rumpf, zwei flexiblen, schlagenden Flügeln und einem steuerbaren Heck. Flügel und Heck lassen sich in unterschiedlichen Größen austauschen. In Versuchen im Wassertank und im Genfersee identifizierten die Ingenieure Kombinationen aus Flügelgröße, Schlagfrequenz und Heckwinkel, die einen nahtlosen Übergang vom Schwimmen unter Wasser über das Durchbrechen der Oberfläche bis hin zum Flug ermöglichen.

Roboter hilft schwer zugängliche Meeresgebiete zu erkunden

Die in Science veröffentlichten Ergebnisse helfen zu verstehen, wie Tauchvögel ihre Flugmechanik an die sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Luft und Wasser anpassen. Gleichzeitig könnte das Design eine neue Generation von Luft‑Wasser‑Drohnen hervorbringen. Die Forschenden sehen Anwendungen darin, schwer zugängliche Meeresgebiete zu erkunden, die für herkömmliche Schiffe zu gefährlich sind. „Unsere Vision ist, dass Ozeanografen, Meeresbiologen und Küstengemeinden diesen Roboter von einem Boot oder vom Ufer aus starten können. Er würde nahe an ein Untersuchungsgebiet heranfliegen – etwa zu einem Eisberg, einer Hafenanlage oder über einen Wal‑Schwarm“, sagt Hauptautor Raphael Zufferey, heute Assistenzprofessor am MIT. „Dann taucht er ins Wasser, nimmt Messungen oder Proben und fliegt zurück, um die Daten zu liefern – zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden.“

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Flügelgröße und Flexibilität sind entscheidend 

Zufferey begann die Arbeit an dem Roboter als Postdoktorand im Laboratory of Intelligent Systems (LIS) und im Biorobotics Lab (BioRob) der EPFL. Später setzte er sie am MIT fort, wo er heute das AURA Lab leitet, das sich auf bioinspirierte Luft‑ und Wasserfahrzeuge konzentriert. Ausgehend von der Biomechanik von Vögeln entwickelte das Team Flügel aus dünnen Membranen, die mit hydrophoben Nanopartikeln beschichtet sind, um Wasser abzuweisen. Im Rumpf befinden sich eine Batterie und ein wasserdichter Elektromotor, der über eine Kurbelwelle die Flügel mit vorgegebenen Frequenzen auf und ab bewegt. Das motorisierte Heck kann seinen Winkel verändern und unterstützt so Aufstieg oder Abtauchen.
Die Experimente fanden zunächst in einem kleinen Wassertank an der EPFL und anschließend im Genfersee statt. Dabei zeigte sich, dass Flügelgröße (etwa 80 cm) und Flexibilität entscheidend sind: Die Flügel müssen flexibel genug sein, um den Widerstand im Wasser zu minimieren, aber gleichzeitig stabil genug, um den Roboter in der Luft zu tragen. Der Roboter erreichte im Wasser Geschwindigkeiten von fast einem Meter pro Sekunde bei einer Schlagfrequenz von etwa 5 Hertz und flog in der Luft mit rund 6 Metern pro Sekunde bei ähnlicher Frequenz – vergleichbar mit echten Tauchvögeln. Um den Übergang vom Wasser in die Luft zu schaffen, muss der Roboter in einem steilen Winkel von etwa 70 Grad ausgerichtet werden, damit die Flügelspitzen nicht die Wasseroberfläche berühren.

Wie ein Vogel – aber ohne Füße

Bemerkenswert ist, dass der Roboter ohne ein Element auskommt, das viele Tauchvögel benötigen: Füße. „Die meisten Vögel müssen an der Wasseroberfläche mit den Füßen paddeln, um abzuheben. Die Frage war, ob Roboter das auch brauchen – und die Antwort ist nein“, erklärt Zufferey. „Bisher ist es niemandem gelungen, allein mit Flügeln aus dem Wasser zu starten.“ Künftig will das Team die Flügel weiterentwickeln, sodass sie sich zusätzlich drehen können. Außerdem sollen Tests unter realistischeren Bedingungen erfolgen, etwa in unruhigem Wasser oder bei Wind. Langfristig könnte der Roboter dazu beitragen, neue Erkenntnisse in der Meeresforschung zu gewinnen.