Der Natur nachempfunden

„Vogeldrohne“ SNAG: Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper

Auf den ersten Blick wirkt das Ganze fast wie die neueste Konstruktion aus dem LEGO Technic-Portfolio. Doch bei näherem Hinsehen entpuppt es sich rasch eine mit ausgeklügelter Technik versehene Hightech-Konstruktion. Wissenschaftler aus Stanford und Groningen haben eine „Vogeldrohne“ entwickelt, deren Beine und Krallen der Natur nachempfunden sind. Und mit denen das Fluggerät auf Bäumen landen und sitzen kann.

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Unbemannte Systeme, die optisch an Möwen, Greifvögel oder anderes „Federvieh“ erinnern und deren Flugverhalten nachahmen, die gibt es bereits eine ganze Weile. Doch das, was Mark Cutkosky, David Lentink und William Roderick Anfang Dezember im renommierten Fachmagazin Science Robotics vorstellten, erschließt eine neue Dimension. Optisch erinnert das Ganze an einen Multikopter mit Beinen. Und diese haben es in sich. Denn die basierend auf einer intensiven Analyse der Bewegungsmuster von Sperlingspapageien entwickelten sowie nach dem physiologischen Vorbild von Wanderfalken konstruierten Beine, Füße und Krallen ermöglichen es der Drohne, wie ein Vogel auf Ästen zu landen und sich dort in der Hocke auszubalancieren.

Erfassung der Druckverteilung

Was in der Natur so einfach und selbstverständlich aussieht, ist in Wahrheit ein hochkomplexes Zusammenspiel von Muskeln, Sehnen und Nerven, das technisch nur mit enormem Aufwand nachempfunden werden kann. Und genau diesen Aufwand betrieb ein Team um Mark Cutkosky und David Lentink. Letzterer ist nach der gemeinsamen Arbeit an der Stanford University mittlerweile an der Universität Groningen in den Niederlanden aktiv. Gemeinsam analysierten sie mit Hilfe von fünf Hochgeschwindigkeitskameras die Starts- und Landungen von Sperlingspapageien auf unterschiedlichen „Ästen“, die mit einer Vielzahl von Sensoren zur Erfassung der Druckverteilung und möglicher Unterschiede beim Zugreifen der Krallen gespickt waren. Zudem sorgten verschiedene Durchmesser und Materialien – von Holz über Schaumstoff bis Schleifpapier und Teflon – für eine möglichst umfangreiche Erfassung der wirkenden Kräfte bei Landungen, Aufenthalt und Starts.

Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass sich das Verhalten der Vögel beim Anflug auf unterschiedliche „Äste“ nicht unterscheidet. „Was uns überraschte war, dass sie die gleichen Flugmanöver machten, egal auf welchen Oberflächen sie landeten“, wird Roderick, Hauptautor des Beitrags in Science Robotics, in einer Stanford-Pressemeldung zitiert. „Sie reagieren mit den Füßen auf die Variabilität und Komplexität der Oberflächenstrukturen.“ Dieser Erkenntnis folgend benannten sie ihre Entwicklung „Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper“ oder kurz SNAG. Wobei das Wort „stereotyped“ signalisiert, dass auch die Drohne beim Landeanflug immer dasselbe stereotype Verhaltensmuster verfolgt.

Sehnen aus Angelschnur

Aufgrund der Größe und des Gewichts des eigentlichen Fluggeräts stand bei der Konstruktion der Beine jedoch nicht der kleine Sperlingspapagei sondern der deutlich größere Wanderfalke Pate. Die „Knochen“ stammen aus dem 3D-Drucker, Muskeln werden von Motoren und Sehnen durch handelsübliche Angelschnur ersetzt. Jedes Bein hat seinen eigenen Motor zum Vor- und Zurückbewegen und einen weiteren zum Greifen. Ganz der Natur nachempfunden absorbiert ein Mechanismus im Roboterbein die Aufprallenergie beim Landen und wandelt sie mit Hilfe einer besonders starken und schnelllaufenden Kupplung passiv in Greifkraft um. Einmal um einen Ast gewickelt melden Sensoren, dass der Roboter gelandet ist und ein komplexer Algorithmus sorgt dafür, die Drohne mit Hilfe von Motoren und Federn in der Hocke zu stabilisieren.

Neben Anwendungen in der Forschung – beispielsweise könnte SNAG helfen, das natürliche Verhalten von Vogelarten und sogar deren Körperbau noch besser zu verstehen – sind auch Einsatzszenarien im Umweltmonitoring, bei Search & Rescue-Missionen oder auch zur Bewältigung von Inspektions- und Überwachungsaufgaben denkbar. Denn ein wesentlicher Vorteil könnte sein, dass die „Vogeldrohne“ in der Lage ist, durch Zwischenlandungen Energie zu sparen und situativ auf Veränderungen zu reagieren, ohne auf dem Boden landen zu müssen.

Fotos: Stanford University/Lentink Lab



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