Roboter: Geschickt wie die Bienen

Wissenschaftlern am Micro Air Vehicle Laboratory (MAVLab) der TU Delft präsentieren einen von Insekten inspirierten fliegenden Roboter. Experimente mit diesem ersten autonomen, freifliegenden und flügelschlagenden Roboter sollen zum Verständnis der gewagten Flugmanöver von Fruchtfliegen beitragen.

Abgesehen von seinem Potential für die Erforschung des Insektenflugs sollen die Qualitäten des Roboters auch neue Anwendungen für Drohnen erschließen helfen.

Fliegende Tiere steuern und beschleunigen ihren Flug mit Flügelschlägen. Das erlaubt es zum Beispiel Insekten, nahe einer Blüte zu schweben, aber auch schnell einer drohenden Gefahr zu entkommen, was jeder weiß, der einmal eine Fliege einzufangen versucht hat. Die Flugfähigkeiten der Tiere haben schon seit jeher die Aufmerksamkeit der Biologen gefesselt, die nicht nur die komplexen Muster des Flügelschlags und die Aerodynamik studieren, sondern auch die sensorischen und neuromotorischen Systeme, die solche wendigen Manöver überhaupt erst möglich machen. Seit kurzem rücken fliegende Tiere auch ins Blickfeld von Entwicklern in der Robotik, die an leichten fliegenden und dabei agilen, energieeffizienten und sogar auf Insektengröße skalierbaren Robotern arbeiten.

Sehr wendige Flugweise

Die Forscher vom MAVLab der TU Delft haben einen von Insekten inspirierten Roboter entwickelt, der mehr leistet, als bisher denkbar – und das in einem einfachen und leicht zu fertigenden Design. In Insektenmanier schlägt auch der Roboter mit den Flügeln, in dem Fall 17mal in der Sekunde. Damit erzeugt er nicht nur Auftriebskräfte, sondern manövriert sich auch über kleinere Anpassungen der Flügelbewegung durch die Luft. Der Steuerungsmechanismus, abgeschaut von Fruchtfliegen, hat sich als sehr wirksam herausgestellt. Er erlaubt nicht nur, an der Stelle zu schweben und in jede Richtung zu fliegen, sondern dabei auch sehr wendig zu sein.

„Der Roboter erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h und kann sogar gewagte Manöver wie 360-Grad-Wenden ausführen, die Schleifen oder Überschlägen ähneln“, sagt Matěj Karásek, Hauptautor der Studie und leitender Konstrukteur des Roboters. „Außerdem hat der Roboter mit seinen 33 cm Spannweite und 29 Gramm Gewicht für seine Größe eine hervorragende Energieeffizienz, die es ihm erlaubt, mit einer voll aufgeladenen Batterie 5 Minuten zu schweben oder mehr als einen Kilometer zu fliegen.“

Wie entkommen Fruchtfliegen?

Die Flugleistung des Roboters lässt nicht nur an einen möglichen Einsatz in Form einer autonomen Mikrodrohne denken, seine Programmierbarkeit erschließt auch tiefere wissenschaftliche Einblicke in den Insektenflug. Dafür hat sich die TU Delft mit der Universität Wageningen zusammengetan. „Als ich den Roboter zum ersten Mal fliegen sah, dachte ich sofort, dass wir ihn einbeziehen könnten, um Steuerung und Dynamik des Insektenflugs zu erforschen“, sagt Prof. Florian Muijres von Universität Wageningen, Gruppe für experimentelle Zoologie. Anhand früherer Arbeiten von Prof. Muijres zu Fruchtfliegen entschied sich das Team den Roboter gemäß den angenommenen Steuerungsaktionen dieser Insekten zu programmieren, bei wendigen Ausweichmanövern, wenn man sie etwa versucht, zu erschlagen.

Die Aktionen des Roboters ähnelten den bei Fruchtfliegen beobachteten. Der Roboter konnte sogar zeigen, wie Fruchtfliegen durch den Ansteuerungswinkel ihre Flucht optimieren konnten. Anders als bei Tierversuchen wisse man jedoch, was sich im „Gehirn“ des Roboters abspiele. So habe man einen passiven aerodynamischen Mechanismus gefunden und beschrieben, welcher die Fliegen, aber möglicherweise auch andere fliegende Tiere dabei unterstütze, ihre Richtung in diesen schnellen, überhöhten Wendungen zu steuern, so Karásek.

Potential für zukünftige Anwendungen

Das MAVLab arbeitet im DelFly-Projekt schon seit zehn Jahren an fliegenden Robotern, die von Insekten inspiriert sind. Der wissenschaftliche Leiter, Prof. Guido de Croon, erklärt: „Von Insekten inspirierte Drohnen haben ein großes Potential für bahnbrechende Anwendungen, weil sie wenig wiegen, für Menschen sicher sind und effizienter als herkömmliche Drohnen fliegen, besonders im kleineren Maßstab. Doch bis jetzt haben die fliegenden Roboter dieses Potential noch nicht genutzt, weil sie entweder nicht so wendig sind, wie unser DelFly II, oder weil sie einen komplizierten Fertigungsprozess voraussetzten.“ Der Roboter in dieser Arbeit, DelFly Nimble, baut dagegen auf etablierten Fertigungsverfahren auf, nutzt handelsübliche Bauteile und er hält sich lange genug in der Luft, um sich für sinnvolle Anwendungen zu empfehlen.

Der DelFly Nimble wird im TTW-Projekt „As nimble as a bee“ weiterentwickelt, einer Kooperation von TU Delft und Universität Wageningen, unterstützt von der niederländischen Wissenschaftsstiftung NWO.

Bild:  DelFly Nimble im Schwebeflug. Credit: Henri Werij, TU Delft