Faszination Technik Roboterfisch passt seine Größe an

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein Roboterfisch, der flache Bäche bis hin zu offenen Gewässern untersuchen kann.

Unterwasserfahrzeuge mit Propellerantrieb unterstützen Wissenschaftler seit Langem bei der Erforschung und Überwachung von Meeresräumen. Ihre Mechanik setzt ihnen jedoch Grenzen: Rotierende Propeller können sich in der Vegetation verfangen, Sedimente aufwirbeln und die Tiere aufschrecken, die sie eigentlich untersuchen sollen. Dadurch eignen sie sich nur bedingt für flache Bäche, dicht bewachsene Gewässer oder die Beobachtung von Fischen aus nächster Nähe.Das ist einer der Gründe, warum Robotikexperten seit Jahren Maschinen entwickeln, die sich wie Fische fortbewegen – indem sie ihren Körper biegen, anstatt einen Propeller zu drehen. Die Herausforderung besteht darin, dass die meisten von Fischen inspirierten Roboter für eine bestimmte Größe und eine bestimmte Aufgabe konstruiert werden. Eine Anpassung nach oben oder unten bedeutet daher meist, von Grund auf neu zu beginnen.

Wenn man heute zunächst einen Bach und anschließend einen See überwachen möchte, benötigt man im Grunde zwei verschiedene Roboter, die jeweils von Grund auf entwickelt und getestet werden müssen.

Nana Obayashi

Ein Ingenieurteam der EPFL und der New York University (NYU) glaubt, eine Lösung für dieses Problem gefunden zu haben. Die Forschenden stellten ScaFi (kurz für „Scalable Fish“) vor, einen Roboter, der Fischen wie Kabeljau und Makrele nachempfunden ist. Diese Fische konzentrieren die stärkste Krümmung ihres Körpers auf den Bereich nahe dem Schwanz. In der Natur funktioniert diese Fortbewegungsart über einen ungewöhnlich großen Bereich von Körpergrößen hinweg.„Wenn man heute zunächst einen Bach und anschließend einen See überwachen möchte, benötigt man im Grunde zwei verschiedene Roboter, die jeweils von Grund auf entwickelt und getestet werden müssen“, sagt Nana Obayashi, Erstautorin der in npj Robotics veröffentlichten Studie. „Die Umgebungen, für die wir uns interessieren, gibt es nicht in einer Einheitsgröße – deshalb sollten unsere Werkzeuge das auch nicht.“
Obayashi ist derzeit Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am NYU Center for Robotics and Embodied Intelligence. Sie leitete das Projekt während ihrer Promotion im Computational Robot Design & Fabrication Lab unter der Leitung von Josie Hughes an der Ingenieurfakultät der EPFL.

ScaFi verfügt über einen starren vorderen Abschnitt und einen flexiblen Schwanz aus Glasfaserstäben. Ein einzelner Motor zieht an zwei Seilzügen, die sich nahe dem Schwanzende kreuzen. Dadurch entsteht die für die fischähnliche Schwimmbewegung erforderliche S‑förmige Krümmung. 
Die Durchmesser der Stäbe, aus denen der Schwanz besteht, sind die einzigen Komponenten, die an die Größe des Roboters angepasst werden müssen. Bei einer Vergrößerung des Roboters werden sie proportional dicker, um ein vergleichbares Biegeverhalten des Schwanzes zu gewährleisten. Der zugrunde liegende Antriebsmechanismus und das System aus gekreuzten Seilzügen bleiben unverändert. Das ist von Bedeutung, weil sich dadurch der Entwicklungsaufwand für fischähnliche Roboter für unterschiedliche Umgebungen verringern könnte. Gleichzeitig erhalten Forschende eine Plattform, mit der sie systematisch untersuchen können, wie sich die Schwimmleistung mit der Größe verändert – eine Frage, die sich sowohl bei Tieren als auch bei individuell angefertigten Robotern nur schwer systematisch erforschen lässt.

Ab ins Wasser

Das Team baute drei Roboter mit einer Länge von etwa 0,6, 1,1 und 2,9 Metern und testete, wie gut sie schwimmen konnten. In Zusammenarbeit mit dem von Karen Mulleners geleiteten EPFL Unsteady Flow Diagnostics Lab stellten die Forschenden fest, dass der kleinste Roboter ähnliche Wirbelmuster im Wasser erzeugte wie echte Fische. Bei allen drei Größen stimmte die Schwimmbewegung nach Anpassung an die Körpergröße eng überein. Dies deutet darauf hin, dass der Skalierungsansatz das fischähnliche Bewegungsmuster beibehielt, obwohl die Roboterlänge nahezu um das Fünffache zunahm.
Die Forschenden setzten die Roboter auch unter realen Bedingungen ein: den mittelgroßen Roboter in einem Schweizer Bach, den größten im Genfersee und den kleinsten in nur 15 bis 30 Zentimeter tiefen Bächen. Während des Tests im Bach schwamm der Roboter selbst nach einem Ausfall der GPS-Verbindung weiter. Die Energieeffizienz ließ sich jedoch schwieriger skalieren. Die beiden kleineren Roboter erzielten ähnliche Ergebnisse, während der größte durchgehend weniger effizient war und einen anderen, leistungsstärkeren Motor benötigte. Die Autoren vermuten, dass Strömungswiderstand und Trägheit dafür verantwortlich sein könnten. Die genaue Ursache ist jedoch noch ungeklärt. Das Team konnte somit die Schwimmbewegung selbst zuverlässiger skalieren als den Energieaufwand, der für ihre Erzeugung erforderlich ist.
Ein ähnlicher Zielkonflikt zeigte sich bei Störungstests. Der kleinste Roboter war am wendigsten, benötigte nach einer Kursabweichung jedoch am längsten, um sich zu stabilisieren. Die größeren Roboter waren weniger wendig, dafür aber stabiler. Derselbe Ansatz, bei dem die Skalierung auf einem zentralen strukturellen Parameter basiert, könnte auch auf andere nachgiebige Roboter übertragen werden – einschließlich solcher, die außerhalb des Wassers eingesetzt werden. Ob sich die energetische Leistungsfähigkeit ebenso erfolgreich skalieren lässt wie die Schwimmbewegung, bleibt eine offene Frage.