Faszination Technik Roboter flattert piezoelektrisch wie ein Vogel

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie Forschende Ornithoptern vogelähnliches Fliegen beibringen und dabei statt auf Motoren auf den piezoelektrischen Effekt setzen.

Ein Vogel, der bei Seitenwind eine Kurve fliegt, verlässt sich nicht auf rotierende Rotorblätter. Seine Flügel biegen sich, drehen sich und reagieren sofort auf auf wechselnde Luftströmungen.  Ingenieure der Rutgers University haben jetzt einen großen Schritt in Richtung der Entwicklung vogelähnlicher Drohnen gemacht, die sich auf die gleiche Weise fortbewegen und ihre Flügel wie echte Vögel schlagen, wobei sie anstelle herkömmlicher elektromagnetischer Motoren elektrisch angetriebene Materialien als Antrieb nutzen. Da das System keine Getriebe oder Gelenke hat, bezeichnen die Forscher es als mechanismusfreien oder Festkörper-Ornithopter. 

Flügel schlagen ohne knochenähnliche Strukturen oder muskelähnliche Antriebe

Bislang basieren die meisten Prototypen von Roboter-Vögeln auf Mechanismen, die Knochen und Muskeln nachahmen. Bilgen, außerordentlicher Professor am Fachbereich für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Rutgers School of Engineering, und sein Team schlagen einen einfacheren Weg ein. „Wir wollen den Flügelschlagflug ohne knochenähnliche Strukturen oder muskelähnliche Antriebe erreichen, und zwar auf eine viel einfachere Art und Weise“, sagte er. 

Anstelle von Motoren, die als Muskeln fungieren, werden dünne Streifen, sogenannte Macro Fiber Composites (MFCs), direkt auf die flexiblen Flügel ihrer Modelle geklebt. Wenn Strom fließt, flattern, verdrehen und verformen sich die Flügel. „Die Kohlefaser wirkt wie Federn und Knochen, und die oberflächenmontierten MFCs wirken wie Muskeln und Nerven“, erklärte Bilgen. „Wir legen an die piezoelektrischen Materialien eine elektrische Spannung an, und diese bewegen die Oberfläche direkt, ohne zusätzliche Gelenke, Gestänge oder Motoren.“ 

Der Flügel besteht aus einem Verbundwerkstoff, der eine Schicht aus piezoelektrischem Material und eine Schicht aus Kohlefaser umfasst. Legt man Spannung an die piezoelektrische Schicht an, biegt sich der gesamte Verbundwerkstoff.

Onur Bilgen

Digital Engineering verbindet alle physikalischen Aspekte 

Das Forschungsteam entwickelte zudem ein leistungsstarkes Computermodell, das alle wichtigen physikalischen Aspekte des Fliegens auf einmal miteinander verbindet: Flügel- und Rumpfbewegung, Aerodynamik, Elektrodynamik und die Steuerungsarchitektur. Dies ermöglicht es Ingenieuren, Entwürfe virtuell zu testen und zu optimieren, bevor physische Prototypen gebaut werden, was Zeit und Geld spart und gleichzeitig die Entwicklung beschleunigt. „Wir haben wissenschaftlich nachgewiesen, dass diese Art von Ornithopter unter bestimmten materialtechnischen Annahmen realisierbar ist“, sagte er. „Wir können die Machbarkeit von Konstruktionen aufzeigen, die physikalisch noch nicht umsetzbar sind.“ 

Derzeit ist das größte Hindernis die Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Materials. „Die heutigen piezoelektrischen Materialien sind noch nicht leistungsfähig genug“, sagte Bilgen. „Unser mathematisches Modell ermöglicht es uns jedoch, mit vernünftigen Annahmen einen Blick in die Zukunft zu werfen.“

Mit ihrem vogelähnlichen Design bieten Ornithopter ein Maß an Flexibilität, das solche Drohnen besonders geeignet macht für zukünftige Aufgaben wie Such- und Rettungsaktionen, Umweltüberwachung, Inspektion schwer zugänglicher Orte und die Paketzustellung in Städten, wo Fluggeräte um Gebäude, Leitungen, Menschen und vieles mehr herum navigieren müssen.

Über die Forschungsarbeit

In einer in der Fachzeitschrift „Aerospace Science and Technology“ veröffentlichten Studie beschreiben die Luft- und Raumfahrtforscher Xin Shan und Onur Bilgen die vogelähnliche Drohne vom Typ „Solid State“.