Schnellster Schwimmroboter der Welt: Forschungsteam lässt sich von Mantarochen inspirieren

Dass sich Ingenieure von der Natur inspirieren lassen, ist keine Seltenheit. Evolutionäre Prozesse bilden im Laufe der Zeit oft sehr effiziente Mechanismen heraus, die ein Vorbild für technische Abläufe sein können. Insbesondere auch in der Robotik ist das ein Thema – diverse Land- und Wassertiere dienten bereits als Vorbilder für Roboter. Ein Team rund um Haiato Qing von der North Caroline State University hat genau dies ebenfalls getan: Die Forscher:innen entwickelten einen Schwimmroboter, der sich in Sachen Schwimmtechnik und Strömungsdynamik den Mantarochen zum Vorbild nimmt.

Der Mantarochen als Vorbild

„Wenn Mantarochen schwimmen, produzieren sie zwei Wasserströmungen, die sie vorwärtsbewegen. Um ihre Tauchbahn zu verändern, passen sie ihre Schwimmbewegungen an. Wir haben eine ähnliche Technik zur Steuerung der Bewegungen unseres Roboters angewendet„, erläutert Jiacheng Guo von der University of Virginia, einer der Koautoren der Studie.

Der Roboter verfügt über zwei flügelartige Flossen, die der Dreiecksform von Mantarochen nachempfunden sind. Die Fläche dieser Flossen besteht aus einer biegsamen dünnen Folie. An den Kanten sind sie mit einem stabileren, etwas dickeren Polyester-Material verstärkt. Beide Flossen kommen je nach Modell auf eine Spannweite von etwa 16 bis 19 Zentimetern und sind an einem länglichen Körper befestigt, der aus einem weichen Silikon mit einem Hohlraum besteht. Diese Kammer dient dem Antrieb des Roboters: Wenn sie mit Luft gefüllt wird, biegt sich der Körper und bewegt die Flossen nach unten. Während die Luft wieder abgelassen wird, gehen die Flossen durch die Rückstellkraft wieder in ihre Ausgangsposition. Die dabei entstehenden Wasserströmungen gleichen denen, die ein Rochen beim Schwimmen erzeugt und sind für den Vortrieb des Roboters verantwortlich. Das spezifische Design ermöglicht es, Vortrieb zu erzeugen, indem die Flossen nur in ihrer Abwärtsbewegung angetrieben werden.

Weltweit der bisher schnellste Schwimmroboter

„Unser neuer Softroboter ist dank seines verbesserten Designs energieeffizienter als sein Vorgängermodell und erreicht eine Geschwindigkeit von 6,8 Körperlängen pro Sekunde„, erklärt Seniorautor Jie Yin von der North Carolina State University. Der Roboter ist etwa doppelt so schnell wie sein Vorgängermodell, was ihn zum bisher schnellsten Schwimmroboter macht.

Ziel der Forscher:innen ist es, den Roboter in freiem Wasser zu Forschungszwecken zu nutzen. Um ihn diesbezüglich auf die Probe zu stellen, ersetzten sie den bis dahin kabelgebundenen Antrieb durch eine Art Bootsanhänger mit Batterie und Luftpumpe. Der Roboter zog diesen Anhänger dann an der Oberfläche hinter sich her.

Der etwa 2,2 Gramm leichte Roboter konnte dabei erfolgreich das Gewicht seiner eigenen Energiequelle bewältigen, was seine Maximalgeschwindigkeit auf 1,35 Körperlängen pro Sekunde senkte. Dies macht ihn weiterhin schneller und effizienter als die meisten anderen Schwimmroboter.

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„Simulationen und Experimente haben uns gezeigt, dass der von unserem Roboter erzeugte Abwärtsstrahl stärker ist als sein Aufwärtsstrahl„, erklären die Forscher:innen. So kann das Team den Auftrieb des Roboters kontrollieren. „Je schneller der Roboter mit den Flossen schlägt, desto länger ist die Luftkammer gefüllt und desto mehr Auftrieb hat er. Wenn wir aber die Schlagfrequenz verlangsamen, kann der Roboter zwischen den Flossenschlägen leicht sinken – so kann er entweder nach unten tauchen oder in der gleichen Tiefe schwimmen„, erläutert Qing.

Roboter soll noch weiterentwickelt werden

Zu Testzwecken errichteten die Forscher:innen eine Art Unterwasserparcours in einem Aquarium. Ziel war es, die Steuerung und Höhenkontrolle des Systems auf die Probe zu stellen. Der Roboter-Rochen ließ sich dabei präzise manövrieren und die Hindernisse überwinden. Allerdings ist er noch nicht in der Lage, große Richtungsänderungen vorzunehmen. „Wir arbeiten noch an Techniken, die uns eine feine Kontrolle über seitliche Bewegungen ermöglichen„, so Guo. Außerdem will das Team den Pumpenantrieb in den Roboter integrieren, um ihn nicht mehr auf einer Art „Beiboot“ unterzubringen.

via North Carolina State University