Flugfisch-Roboter tankt Wasser, fliegt und taucht

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Unter Wasser und in der Luft: Der am Imperial College London und der Schweizer Empa entwickelte „Flugfisch-Roboter“ ist in der Lage, an der Wasseroberfläche Wasser aufzunehmen, von dort aus zu starten und sowohl durch die Luft zu gleiten als auch unter Wasser abzutauchen.
Unter Wasser und in der Luft: Der am Imperial College London und der Schweizer Empa entwickelte „Flugfisch-Roboter“ ist in der Lage, an der Wasseroberfläche Wasser aufzunehmen, von dort aus zu starten und sowohl durch die Luft zu gleiten als auch unter Wasser abzutauchen. (Bild: Aerial Robotics Lab/Imperial College London)

Ein Roboter, der sich bewegt wie ein fliegender Fisch: Forscher der des Imperial College London haben eine Flugdrohne entwickelt, die in der Lage ist, ihr Antriebsgas aus dem Wasser zu gewinnen und von der Wasseroberfläche aus zu starten. Nach der Auftankphase kann der Flugfisch-Roboter mehrmals bis zu 26 Meter weit fliegen und ins Wasser abtauchen.

Roboter, die von Wasser in Luft übergehen können, sind in bestimmten Situationen wünschenswert, beispielsweise zur Geländeüberwachung bei bei Überschwemmungen oder bei der Prüfung von Meeresverschmutzung. Herkömmliche Roboter oder Flugdrohnen haben allerdings das Problem, dass ihr Start viel Energie erfordert. Während größere Geräte dies mit großen, schweren Tanks oder Batterien noch halbwegs ausgleichen können, stellt dies mittelgroße oder kleine Roboter bislang vor große Schwierigkeiten.

Forscher des Imperial College London haben dieses Problem adressiert und einen vollelektrischen Flugfisch-Roboter entwickelt, der als „Tankladung“ nur 0,2 Gramm Calciumcarbidpulver in einer Brennkammer benötigt. Der einzige bewegliche Teil ist eine kleine Pumpe, die Wasser aus der Umgebung einsaugt, in der sich der Roboter befindet, etwa ein See oder Ozean.

„Fliegender Fisch“ tankt Wasser zum Abheben

Das Wasser wird dann in einer Reaktionskammer mit dem Calciumcarbidpulver zusammengebracht und erzeugt brennbares Acetylengas. Während sich das Gas entzündet und ausdehnt, drückt es das Wasser als Antribsstrahl heraus, der den Roboter aus dem Wasser „schiesst“. Auf diese Weise ist der Flugfisch-Robo in der Lage, in einem Gleitflug bis zu 26 Metern zurückzulegen.

„Der Übergang von Wasser zu Luft ist ein energieintensiver Prozess, der bei einem kleinen fliegenden Objekt, das für den Flug leicht sein muss, nur schwer zu erreichen ist“, erklärt Mirko Kovac, Direktor des „Aerial Robotics Laboratory“ am Imperial College London und des gemeinsamen „Materials and Technology Center of Robotics“ an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz.

„Wir haben wasserreaktive Chemikalien verwendet, um die Menge an Materialien, die der Roboter mit sich führen muss, zu reduzieren. Da sich die Kammer passiv füllt und das Umgebungswasser wie ein Kolben wirkt, können wir einen vollständigen Verbrennungszyklus mit nur einem beweglichen Teil erzeugen, nämlich der Pumpe, die das Wasser mit dem Kraftstoff vermischt.“

Mehrere Schubladungen in Folge möglich

Das Team testete den Roboter im Labor, in einem See und in einem Wellentank. In ihren Versuchen, deren Ergebnisse die Forscher diesen Monat im Fachjournal Science Robotics veröffentlicht haben, konnten sie demonstrieren, dass ihr künstlicher „Flugfisch“ auch unter eher rauen Bedingungen von der Wasseroberfläche abheben kann.

Während ähnliche Roboter oft ruhige Bedingungen benötigen, um aus dem Wasser abzuheben, erzeugt die Neuentwicklung des Teams eine Kraft, die dem 25-fachen seines Gewichts entspricht. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der Roboter die Wellen überwinden und tatsächlich abheben kann.

Der nur 160 Gramm leichte Roboter kann nach dem Nachfüllen seines Wassertanks mehrfach „hüpfen“. Dies könnte es ihm ermöglichen, ohne zusätzliche Energieversorgung auf dem Wasser zu schwimmen und an mehreren Stellen Proben zu entnehmen, was im Vergleich zu einem elektrisch angetriebenen Roboter über größere Entfernungen erheblich Energie spart.

Anwendungsfälle vor allem auf dem Meer und vor der Küste

Das Team arbeitet nun mit Forschern der Empa zusammen, um neuartige Roboter aus modernen Materialien zu bauen und Feldversuche mit dem Roboter in verschiedenen Umgebungen durchzuführen, darunter die Überwachung von Ozeanen rund um Korallenriffe und Offshore-Plattformen.

„Diese Art von stromsparenden, netzfreien Robotern könnte in Umgebungen, die normalerweise zeit- und ressourcenintensiv zu überwachen sind, wirklich nützlich sein, etwa auch nach Katastrophen wie Überschwemmungen oder Atomunfällen“, ergänzt Raphael Zufferey, Erstautor der Studie.

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