Landet auf Ästen

Forscher entwickeln „Greifvogel-Drohne“

Elektronik
06.12.2021 12:03

Wissenschaftler der Universität Stanford in den USA haben einen fliegenden Roboter entwickelt, der wie ein Vogel auf Ästen sitzen und Gegenstände greifen und tragen kann. Die nötige Inspiration dafür lieferten Papageien und der Wanderfalke.

Wie Schneeflocken sind keine zwei Äste gleich. Sie können sich in Größe, Form und Beschaffenheit unterscheiden; einige können nass oder moosbedeckt sein oder voller Ableger. Und doch können Vögel auf fast jedem von ihnen landen. Diese Fähigkeit begeisterte die Labore der beiden Stanford-Ingenieure Mark Cutkosky und David Lentink - und führte letztlich zur Entwicklung ihres SNAG („Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper“) genannten Roboters, der herumfliegen, Objekte fangen und tragen und auf verschiedenen Oberflächen hocken kann.

„Es ist nicht einfach nachzuahmen, wie Vögel fliegen und sitzen“, so Studienerstautor William Roderick, der in beiden Laboren als Doktorand tätig war. „Nach Millionen von Jahren der Evolution sehen Start und Landung bei ihnen so einfach aus, selbst bei all der Komplexität und Variabilität der Äste, die man in einem Wald findet.“

Papageien als Vorbild
In früheren Studien der Forscher an Papageien flogen die Vögel zwischen speziellen Sitzstangen hin und her, während sie von fünf Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen wurden. Die Sitzstangen - in verschiedenen Größen und aus unterschiedlichen Materialien wie Holz, Schaumstoff, Sandpapier und Teflon gefertigt - enthielten auch Sensoren, die die physikalischen Kräfte aufzeichneten, die beim Landen, Sitzen und Abheben der Vögel auftraten.

„Was uns überraschte, war, dass sie unabhängig von der Oberfläche, auf der sie landeten, die gleichen Flugmanöver ausführten“, so Roderick. „Sie überließen es den Füßen, die Variabilität und Komplexität der Oberflächenstruktur selbst zu bewältigen. Dieses formelhafte Verhalten, das bei jeder Landung eines Vogels zu beobachten ist, ist der Grund, warum das ‘S‘ in SNAG für ‘stereotyp‘ steht“.

(Bild: Stanford/William Roderick)

„Knochen“ aus dem 3D-Drucker
Genau wie die Papageien geht SNAG jede Landung auf die gleiche Weise an. Um jedoch der Größe der angeschlossenen Quadcopter-Drohne Rechnung zu tragen, ist SNAG den Beinen eines Wanderfalken nachempfunden. Anstelle von Knochen hat er eine 3D-gedruckte Struktur sowie Motoren und Angelschnur als Ersatz für Muskeln und Sehnen. Jedes Bein hat einen eigenen Motor, um sich vor- und zurückzubewegen, und einen weiteren, um das Greifen zu ermöglichen. Inspiriert von der Art und Weise, wie Sehnen bei Vögeln um den Knöchel verlaufen, absorbiert ein ähnlicher Mechanismus im Bein des Roboters die Aufprallenergie beim Landen und wandelt sie passiv in Greifkraft um.

Das Ergebnis ist, dass der Roboter über eine besonders starke und schnelle Kupplung verfügt, die innerhalb von 20 Millisekunden ausgelöst und geschlossen werden kann. Sobald sie sich um einen Ast gewickelt haben, verriegeln sich die Knöchel von SNAG und ein Beschleunigungsmesser am rechten Fuß meldet, dass der Roboter gelandet ist und löst einen Ausgleichsalgorithmus aus, um ihn zu stabilisieren.

(Bild: youtube.com/Stanford)

Vielfältig einsetzbar
Einer Mitteilung der Universität zufolge gibt es zahllose mögliche Anwendungen für diesen Roboter, darunter Such- und Rettungseinsätze und die Überwachung von Waldbränden. Für Roderick, dessen Eltern beide Biologen sind, liegt eine der spannendsten Anwendungsmöglichkeiten für SNAG in der Umweltforschung. Zu diesem Zweck brachten die Forscher auch einen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor an dem Roboter an, mit dem Roderick das Mikroklima im US-Staat Oregon aufzeichnete.

„Ein Teil der Motivation für diese Arbeit war es, Werkzeuge zu entwickeln, mit denen wir die natürliche Welt untersuchen können“, so Roderick. „Wenn wir einen Roboter hätten, der sich wie ein Vogel verhält, könnte das völlig neue Wege zur Erforschung der Umwelt eröffnen.“

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