Ein kleiner Roboter, der unter Wasser schwimmen, an der Oberfläche auftauchen und wie ein Vogel abheben kann: Das ist keine Science-Fiction, sondern das Ergebnis einer Forschungsarbeit der ETH Lausanne (EPFL) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT), die in der Zeitschrift «Science» veröffentlicht wurde.
Der Prototyp könnte den Weg für eine neue Generation von Drohnen ebnen, die marine Umgebungen mit deutlich geringeren Kosten und Risiken als derzeitige Technologien erkunden können.
Die Idee entstand durch Beobachtung der Natur. Es gibt über hundert Vogelarten, die sowohl in der Luft als auch unter Wasser perfekt zurechtkommen. Kormorane, Möwen, Papageitaucher und Sturmvögel tauchen, um Fische zu jagen, schwimmen mit Flügeln und Körper, tauchen dann wieder auf und fliegen los. Ein Unterfangen, das natürlich erscheint, aus technischer Sicht jedoch eine enorme Herausforderung darstellt.
Denn Luft und Wasser sind zwei völlig unterschiedliche Umgebungen. Wasser ist etwa 800-mal dichter als Luft: Ein zum Fliegen entwickelter Flügel stösst auf enormen Widerstand, wenn er sich unter Wasser bewegt, während eine für das Schwimmen optimierte Struktur kaum den für den Flug nötigen Auftrieb erzeugen kann.
Das Projekt suchte nach einem wirksamen Kompromiss. Das Ergebnis ist ein Roboter, der nur 300 Gramm wiegt und ausgestattet ist mit einem zentralen Rumpf, zwei flexiblen Schlagflügeln und einem beweglichen Schwanz. Die Flügel bestehen aus dünnen Membranen, die mit Nanopartikeln beschichtet sind, die das Wasser abstossen und beim Übergang zum Flug ein schnelles Trocknen ermöglichen.
Monatelang experimentierte das Team mit verschiedenen Konfigurationen. Es veränderte Flügelgrösse, Schlagfrequenz und Neigung des Schwanzes. Die Tests begannen in einem Schwimmbecken der EPFL und wurden dann im Genfersee fortgesetzt. Die besten Resultate wurden mit Flügeln mit einer Spannweite von etwa 80 Zentimetern erreicht.
Hilfe bei der Erforschung der Meere
Der Roboter schafft es, mit etwa einem Meter pro Sekunde zu schwimmen, indem er die Flügel etwa fünfmal pro Sekunde schlägt. Sobald er aufgetaucht ist, nutzt er dieselbe Bewegung, um mit sechs Metern pro Sekunde zu fliegen. Um aus dem Wasser zu kommen, muss er den Körper um etwa 70 Grad neigen und vermeiden, dass die Flügelspitzen die Oberfläche berühren.
Erstaunlich ist, dass der Roboter diesen Übergang ohne die Hilfe von Beinen vollzieht. Diese spielen bei Seevögeln beim Start aus dem Wasser eine grundlegende Rolle und liefern zusätzlichen Schub. Das von EPFL und MIT entwickelte Gerät verlässt sich hingegen ausschliesslich auf die Bewegung der Flügel.
Die Forschenden erhoffen sich davon vor allem einen Nutzen bei der Überwachung der Wasserökosysteme. Ein Roboter dieser Art könnte direkt von einem Strand oder einem kleinen Boot aus gestartet werden, ein Zielgebiet erreichen, untertauchen, Daten oder Wasserproben sammeln, dann wieder auftauchen und die gesammelten Informationen sofort übermitteln.
Es könnte die Wasserqualität überwachen, die Meeresfauna beobachten, ohne sie zu stören, Hafenanlagen inspizieren oder Daten in der Nähe von Eisbergen, Offshore-Plattformen oder Gebieten sammeln, die für traditionelle Forschungsschiffe zu gefährlich sind.
