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Drohnen- die Helfer der Gegenwart und Zukunft
Aus Wissenschaftsmagazin vom 24.09.2022. Bild: University College London, Department of Computer Science, London
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Maschinen als Lebewesen Wie der Drohnen-Forscher die Natur kopiert

Leicht wie Federn, wendig wie fliegende Fische oder fleissig wie Arbeiterbienen: Die Drohnen, die der Schweizer Robotik-Professor Mirko Kovac entwickelt, nehmen sich die Natur zum Vorbild.

Im Labor von Mirko Kovac an der Empa in Dübendorf ist eine Drohne am Werk. Sie schwebt über einer Glasfläche. Mit einem Stachel an ihrer Unterseite presst sie ein verschlungenes Muster aufs Glas – ein Muster aus einer Art Zement. Auf die unterste, ringförmige Schicht kommt eine zweite, dann eine dritte. Ein Turm entsteht. Gebaut – oder besser: gedruckt – von einer Drohne. Es ist eine 3-D-Drucker-Drohne – die erste überhaupt, die das kann.

Wie die Bienen

Mirko Kovac, Leiter des Robotikzentrums an der Empa, sagt, sie hätten die Idee bei den Insekten abgekupfert: «Wir schauten, welche Prinzipien Insekten brauchen, um Strukturen zu bauen.»

Tatsächlich: Die Drohne erinnert an eine Biene, die eine Wabenzelle aus Wachs aufbaut. Damit eine ganze Bienenwabe entsteht, braucht es aber die Kooperation eines Schwarms: «Es gibt keine Architekten-Biene, welche die Arbeiterbienen instruiert», sagt Kovac, «sondern die Bienen koordinieren ihre Schwarmintelligenz, und sie interagieren mit ihrer Umgebung. So erzeugen die Tiere laufend die Information für den nächsten Konstruktionsschritt.»

Dieses Prinzip könne man auch in der Robotik anwenden, sagt Kovac: «Nach dem Vorbild der Bienen haben wir Robot-Systeme entwickelt, die 3-D drucken  und dies aus dem Flug tun können.» Diese Drohnen haben es letzte Woche als Titelgeschichte ins Fachmagazin «Nature» geschafft.

Noch fliegen diese Flugroboter erst im Labor. In der Praxis könnten solche Drohnen Bauarbeiten oder Reparaturen an schwer zugänglichen Orten übernehmen – an Fassaden, Pipelines, Brückenpfeilern. Denkbar seien auch Einsätze in der abgeschiedenen Natur oder im Weltall, wo oft möglichst minimale menschliche Eingriffe gewünscht seien.

Maschinen als Lebewesen

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Legende: Empa

Die Robotikforschung in der Schweiz hat international einen exzellenten Stand, und die Drohnentechnik ist hierzulande weit entwickelt. In diesem Umfeld ist Mirko Kovac eine Nummer für sich. Für ihn sind Drohnen nicht einfach Maschinen, sondern «synthetische Systeme, die sich wie Lebewesen verhalten.» Ihm gefalle es, diese «lebenden Systeme» nicht nur zu kreieren, sondern mit ihnen auch die Welt zu verbessern, sie nachhaltiger zu gestalten.

Schon als Kind, erzählt der 42-Jährige, habe er Schweizer Uhren auseinandergenommen und mit verschiedenen Chemikalien gespielt. Mirko Kovac ist in Schaffhausen aufgewachsen. Er studierte Maschinenbau an der ETH Zürich, promovierte in Lausanne, ging als Postdoktorand in die USA, nach Harvard und Berkeley. Seit zehn Jahren leitet er am Imperial College London die Flugrobotik. 2018 stiess er zur Empa. Seither leitet der Robotik-Professor zwei Forschungsgruppen parallel – in London und in Dübendorf. Es funktioniere sehr gut. Das überzeugte offenbar auch die Jury des EU-Forschungsprogramms Horizon Europe: Sie sprach Mirko Kovac diesen Frühling einen der begehrten «ERC Consolidator Grants» von zwei Millionen Euro zu. Gefördert wird ein Projekt, das Drohnen aus flexiblen Materialien entwickelt.

Kovacs Drohnen nehmen sich die Natur zum Vorbild. Um Drohnen agiler und vielseitiger zu gestalten, seien in den letzten Jahren die Materialien immer wichtiger geworden. «Zum Beispiel wollen wir Flügel kreieren, deren Federn sich an eine spezifische Umgebung und an die Aerodynamik anpassen können.»

Anpassungsfähige Drohnen haben Kovac und sein Team bereits gebaut. Das Projekt heisst Medusa: «Medusa ist eine fliegende Drohne, die auf einer Wasseroberfläche landen und dann unter Wasser ein Gefährt freilassen kann.» Dieses Gefährt bewegt sich frei unter Wasser, es kann Wasser direkt filtrieren oder Daten sammeln zur Wasserqualität und Biodiversität im Wasser. «Das ist viel effizienter als die traditionellen Methoden», so Kovac.

Für das Projekt arbeitet Kovacs Gruppe mit dem Wasserforschungsinstitut Eawag zusammen. Die Medusa-Drohnen wurden in Seen, Flüssen und auch dem Meer getestet. Jetzt sind sie im Einsatz, etwa für die Industrie. Auch in den Umweltwissenschaften seien die wendigen Medusa-Werkzeuge gefragt.

Wie Spinnen in der Luft

Andere Drohnen können sich wie Spinnen durch die Luft bewegen, haften sich an Oberflächen an und seilen sich von dort aus ab. Auch hier hat sich Kovac an der Natur orientiert, an der Genialität der Spinnen: Diese könnten nicht nur ihr Netz aus dem eigenen Körper 3-D drucken, sondern das Netz auch als Sensor gebrauchen. «Über die Vibrationen nehmen sie die Umgebung wahr.»

Mirko Kovac ist überzeugt, dass den bio-inspirierten Drohnen die Zukunft gehört. Weil Maschinen und lebendige Wesen hier keine Gegensätze sind, sondern sich gegenseitig befruchten.

Wissenschaftsmagazin, 24.09.2022, 12:40 Uhr

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