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Drohne fliegt durch Wasser und Luft

Spezielle Propeller und eine bioinspirierte Haftplatte machen Roboter amphibisch

Drohne
Diese Drohne kann fliegen, tauchen und ohne Stopp zwischen Wasser und Luft wechseln.© Beihang University/ Science Robotics

Per Anhalter durchs Wasser: Forscher haben eine Drohne entwickelt, die blitzschnell und nahtlos zwischen Wasser und Luft wechseln kann. Sie kann tauchen, Unterwasseraufnahmen machen und nach dem Auftauchen weiter filmen und umgekehrt. Der Clou dabei: Ein spezieller Saugnapf erlaubt es der Drohne, sich über und unter Wasser an rauen oder glitschigen Oberflächen anzuheften. Selbst auf Walen oder Fischen kann sie so per Anhalter mitfahren.

Drohnen sind in vielen Gebieten bereits wichtige Helfer. Ihre Einsatzgebiete reichen von der Landwirtschaft über Kartierungen und Tierbeobachtungen bis zu Lieferflügen und Wartungseinsätzen. Sogar auf dem Mars ist bereits eine Drohne aktiv. Auch Roboter für Einsätze im Wasser oder im Untergrund gibt es schon.

Einklappende Propeller für Fliegen und Schwimmen

Jetzt haben Forscher um Lei Li von der Beihang-Universität in Peking eine Drohne entwickelt, die nahtlos zwischen Luft und Wasser wechseln kann – und die zum Energiesparen „per Anhalter“ reist. Möglich wird dies durch zwei technische Besonderheiten. Die erste betrifft die Rotoren des Quadrokopters: Diese sind so angepasst, dass sie sich unter Wasser von selbst einfalten und so den Wasserwiderstand reduzieren. Während dieses Übergangs drehen sich die Propeller weiter – sie verringern unter Waser nur ihre Geschwindigkeit.

Durch diesen nahtlosen Wechsel kann die Drohne ohne zu stoppen zwischen dem Fliegen in der Luft und der Fortbewegung unter Wasser wechseln. „Bei voller Leistung benötigt der Roboter nur 0,35 Sekunden um den Wasser-zu-Luft-Übergang zu vollenden“, berichten die Wissenschaftler. Die Drohne kann zudem schnell mehrfach hintereinander tauchen und wieder aus dem Wasser abheben. Im Test absolvierte das Gerät sieben solcher Wechsel innerhalb von nur 20 Sekunden.

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Die neue Drohne wechselt rasant und nahtlos von Wasser zu Luft und wieder zurück.© Beihang University / Science Robotics

Haftapparat vom Schiffshalter-Fisch abgeguckt

Die zweite Besonderheit der „dualen“ Drohne ist ihre Fähigkeit, sich an beliebigen Oberflächen anheften zu können – egal ob diese in Bewegung, in Ruhe, gekrümmt oder glatt sind. Möglich wird dies durch einen hydrostatischen Saugnapf, der vom Haftapparat der Schiffshalter-Fische inspiriert ist. Diese Meeresfische können sich mithilfe einer Saugplatte an ihrem vorderen Rücken an die Haut von Haien oder Walen anheften und lassen sich so „per Anhalter“ durchs Wasser tragen.

„Wir fasziniert davon, dass die Saugplatte des Schiffshalter-Fischs nicht nur unter Wasser funktioniert sondern auch an der Luft“, erklären Li und seine Kollegen. Nähere Untersuchungen des Haftapparats enthüllten, dass der Fisch die dicht schließenden Randwülste seiner Saugplatte an die Oberfläche anpresst und einen Untergrund erzeugt. Dank mehrere redundanter Kammern und einer aus harten und weichen Komponente bestehenden Stützkonstruktion haftet diese Saugplatte besser als einfache Saugnäpfe.

HAftapparat
Die Haftplatte der Drohne ist vom Saugapparat des Schiffshalter-Fisches inspiriert. © Beihang University/ Science Robotics

Mit Lamellensystem und Hydrostatik

Für ihre „Hitchhiker“-Drohne haben Li und sein Team dieses Prinzip nachgebaut. Die Haftplatte ihres Roboters besteht aus mehreren länglichen Kammern, die von beweglichen Haftlamellen eingerahmt werden. Landet die Drohne auf einer Oberfläche, geben die zunächst gekippten Lamellen nach und legen sich flach an den Untergrund an. Die Kammern sind nun dicht abgeschlossen. Wenn der Rotor stillsteht und dadurch der Druck auf die Lamellen nachlässt, stellen sich die Lamellen wieder leicht auf, ohne die Dichtigkeit zu verlieren und dadurch entsteht in den Kammern ein Unterdruck – die Drohne haftet.

Zusätzlich zu dieser passiven Haftmethode nutzt die Drohnen-Saugplatte noch eine hydrostatische Hafthilfe, die Andruck und Winkel der Lamellen durch Flüssigkeitsdruck in dem weichen Material regulieren kann. Dieses Zusatzsystem erlaubt es dem kleinen Roboter auch, sich schnell wieder vom Untergrund zu lösen. Dafür werden die Lamellen soweit aufgestellt, dass sie nicht mehr dicht abschließen und der Unterdruck ausgeglichen wird.

Fester Halt selbst an rauen, gebogenen oder bewegten Oberflächen

In ersten Tests konnte die Drohne mithilfe dieser bioinspirierten Saugplatte in der Luft und im Wasser an unterschiedlichsten Oberflächen haften. „Der Roboter kann sich an ein horizontales Dach oder bis zu 45 Grad geneigten Flächen anheften“, berichten Li und sein Team. Er kann aber auch unter Wasser an glatten, unebenen Steinen oder einem gebogenen Schiffsrumpf kleben. „Weil die Drohne großen seitlichen und längs gerichteten Kräften widerstehen kann, kann sie auch auf sich bewegenden Wirten ‚per Anhalter‘ reisen“, erklären die Forscher.

Auf diese Weise reist der Roboter im Test an einem schwimmenden Boot mit, während er Videoaufnahmen der Unterwasserwelt und des Meeresgrunds machte. Dabei verbrauchte der trampende Roboter fast 20-mal weniger Energie als mit einem Eigenantrieb. Hat die Drohne dann ihr Zeil erreicht, kann sie sich von ihrer Mitfahrgelegenheit lösen und aus dem Wasser in die Luft aufsteigen, um dort ohne Pause weiter zu filmen.

Einsatz in Umweltschutz, Meeresbiologie oder Kartierung

Dank dieser Fähigkeiten eignen sich solche amphibischen Drohne besonders gut, um für Überwachungsaufgaben in der Meeresumwelt eingesetzt zu werden. So könnte sie beispielsweise mit Meeressäugern mitreisen und ihr Verhalten beobachten oder mit Schiffen aufs offenen Meer mitfahren, um dort dann Umweltverschmutzungen zu untersuchen. Aber auch im Süßwasser – in Flüssen, Seen oder Stauseen kann die Drohne zu Überwachungsaufgaben eingesetzt werden.

Bisher kann die Drohne bis in gut zwei Meter Tiefe tauchen, bevor ihre Kommunikationsverbindung zur Oberfläche versagt. Dies könne aber noch erweitert werden. Denkbar wäre zudem, die Drohne mit autonomen Fähigkeiten zur Erkennung biologischer Zielorganismen auszustatten, damit sie dann selbstständig ihre „Mitfahrgelegenheit“ suchen kann. (Science Robotics, 2022; doi: 10.1126/scirobotics.abm6695)

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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