Aktuelle Flugobjekte stehen vor einem Kompromiss: Drohnen mit Propellern sind beispielsweise sehr wendig und können schweben, verbrauchen dabei jedoch viel Energie. Flugzeuge hingegen verfügen über starre Flügel, die ihnen einen sehr effizienten Flug ermöglichen. Der Nachteil ist, dass sie nicht in der Luft stehen bleiben können wie ein Turmfalke, der nach Beute Ausschau hält.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Tübingen und der Universität Stuttgart haben einen formveränderlichen Flugroboter namens „Floaty“ entwickelt, der sowohl effizient fliegen als auch stabil in der Luft schweben kann. Floaty ist von Vögeln inspiriert, die gleiten und sich in der Luft halten können, indem sie Windströmungen nutzen und einfach ihre Flügel anpassen. Genau wie diese Tiere verwendet Floaty keine Propeller, um in der Luft zu bleiben.
So funktioniert Floaty im Windkanal
Wie in einem Video gezeigt wird, fliegt der Roboter in einem Windkanal bei Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s. Floaty nutzt die schnell von unten aufsteigende Luft und verstellt rasch die vier beweglichen Klappen an seiner Oberseite. Durch das Drehen dieser verstellbaren Klappen steuert der Roboter, wie die Luft um ihn herum strömt, und verändert so den Luftwiderstand. Dadurch kann Floaty sein Gleichgewicht halten, selbst wenn ihn die Luft seitlich wegschiebt – ganz ohne aktiven Antrieb und hohen Energieverbrauch. Auf der Grundlage zahlreicher Experimente im Windkanal stützt sich Floaty auf ein erlerntes aerodynamisches Computermodell, um sich präzise zu steuern und an Ort und Stelle zu schweben. Das System hat gelernt, erfolgreich Stöße oder Windturbulenzen auszutarieren.
„Wir glauben, dass unsere Arbeit neue Wege für den Bau von Flugrobotern eröffnet, die effizienter und nachhaltiger sind“, sagt Ghadeer Elmkaiel, Erstautor der Veröffentlichung und Doktorand in der Gruppe „Learning and Dynamical Systems“ am MPI-IS. „Anstatt auf Schub erzeugende Motoren zu setzen, zeigt Floaty, dass Roboter den Wind intelligent nutzen können, genau wie Vögel – wodurch viel Energie gespart wird, während man sie immer noch steuern kann.“
Anfangs bestand die größte Herausforderung darin, den Roboter so stabil zu bauen, dass er nicht umkippt, und gleichzeitig sicherzustellen, dass er leicht zu steuern bleibt. Bei vorherigen Windkanaltests führte die ursprüngliche flache Form von Floaty dazu, dass er seitlich umkippte, anstatt sich wieder aufzurichten. Um dieses Problem zu beheben, nahmen die Forscher bei Floaty zwei wesentliche Konstruktionsänderungen vor: Sie senkten den Schwerpunkt des Roboters ab und bauten einen Knick in die starren Klappen ein. Dank dieser Anpassungen bleibt Floaty nun stabil in der Luft und korrigiert sein Gleichgewicht automatisch.
„Unser Floaty-Roboter könnte in vielen realen Situationen nützlich sein, in denen Aufwinde auftreten“, sagt Michael Mühlebach, Leiter der Forschungsgruppe Learning and Dynamical Systems und Mitautor der Publikation. Er nennt mehrere Beispiele: „Floaty könnte Fabrikschornsteine inspizieren, in denen starke Aufwinde herrschen. Dort könnte er möglicherweise mit nur geringen Anpassungen eingesetzt werden. Ähnliche Technologien könnten vielleicht auch bei der Steuerung von Raketen während des Wiedereintritts in die Atmosphäre helfen oder bei der Steuerung von Wetterballons. Es gibt viele Möglichkeiten, wie der Roboter aufsteigende Luftströmungen nutzen kann, um Energie zu sparen.“
