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«Flugfisch»-Roboter kann tauchen und fliegen

12.09.2019

Ein bio-inspirierter Roboter nutzt Wasser aus der Umwelt, um ein Antriebsgas zu erzeugen und von der Wasseroberfläche zu starten. Der Roboter wurde von Forschern des «Imperial College London» entwickelt. Er kann nach dem Start rund 26 Meter weit fliegen und könnte zur Entnahme von Wasserproben in gefährlichen und unübersichtlichen Umgebungen wie bei Überschwemmungen oder bei der Überwachung der Meeresverschmutzung eingesetzt werden, berichtet das Team um Mirko Kovac, der auch das gemeinsame «Materials and Technology Center of Robotics» an der Empa leitet, in der neuesten Ausgabe des Fachmagazins «Science Robotics».

Roboter, die von Wasser in Luft übergehen können, sind in bestimmten Situationen wünschenswert. Der Start erfordert jedoch viel Energie, was bei kleinen Robotern bislang schwierig zu erreichen war. Jetzt haben Forscher des «Imperial College London» ein System erfunden, das 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.


Bild: Aerial Robotics Lab/Imperial College London

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» und in einen Gleitflug von bis zu 26 Metern antreibt.

«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 Empa.

«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.»

Reichlich Schub

Das Team testete den Roboter im Labor, in einem See und in einem Wellentank und konnte dabei zeigen, dass er 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.

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 auf dem Artikel.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Informationen
Dr. Mirko Kovac
Empa, Materials and Technology Center of Robotics
Tel. +41 58 765 46 89
mirko.kovac@empa.ch

Originalpublikation:

R Zufferey, A Ortega Ancel, A Farinha, R Siddall, SF Armanini, M Nasr, RV Brahmal, G Kennedy, M Kovac; Consecutive aquatic jump-gliding with a water-reactive fuel; Science Robotics; doi: 10.1126/scirobotics.aax7330

Video: ‘Flying fish’ robot can propel itself out of water and glide through the air

https://www.youtube.com/watch?time_continue=6&v=aJU8EL61NgA

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/aerial-robotics

Cornelia Zogg | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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