300-Gramm-Roboter schwimmt wie ein Papageitaucher und fliegt aus dem Wasser heraus

Rund hundert Vogelarten bestreiten ihren Alltag in zwei Medien zugleich. Papageitaucher, Seetaucher, Möwen und Sturmvögel jagen unter Wasser und starten anschließend in die Luft. Diesen Trick nachzubauen ist Ingenieurinnen und Ingenieuren jahrelang misslungen, und der Grund ist physikalisch: Wasser ist etwa 800-mal dichter als Luft, ein Flügel, der im einen Medium trägt, sollte im anderen versagen. Der naheliegende Ausweg – eine Maschine, die zwischen zwei Betriebsarten umbaut – kostet Gewicht, das ein kleiner Flugroboter nicht übrig hat.

Ein Team der EPFL in Lausanne und des MIT kommt nun ohne diesen Ausweg aus. Sein „flapping-wing aerial-aquatic vehicle", kurz FAAV, wiegt weniger als 300 Gramm und nutzt ein einziges Flügelpaar zum Schwimmen, Auftauchen und Fliegen. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal „Science".

Ein Flügelpaar, zwei Welten

Der Aufbau ist bewusst schlicht: ein Rumpf mit Akku und wasserdichtem Motor, eine Kurbelwelle, die zwei biegsame Membranflügel mit wasserabweisender Nanobeschichtung auf und ab pumpt, dazu ein motorisiertes Leitwerk, das den Anstellwinkel bestimmt. Entscheidend war die Elastizität der Flügel: Sie müssen im dichten Wasser genug nachgeben, damit der Schlag klein bleibt, und in der Luft steif genug sein, um Auftrieb zu erzeugen.

So abgestimmt schlägt der Roboter in beiden Medien etwa fünfmal pro Sekunde – nahe am Rhythmus echter Tauchvögel, die in der Luft rund zehnmal und unter Wasser viermal pro Sekunde schlagen – und erreicht schwimmend etwa einen Meter pro Sekunde, fliegend sechs. Erprobt wurde er zunächst in einem Becken an der EPFL, danach im Genfersee.

Der schwierigste Moment ist der Ausstieg. Die Oberflächenspannung hält die Flügelspitzen fest; nur bei einem steilen Anstellwinkel von etwa 70 Grad kommen sie frei. Flacher, und der Roboter bleibt hängen, steiler, und er kippt nach hinten. Eine Erkenntnis überraschte das Team: Die meisten Tauchvögel paddeln sich mit den Füßen aus dem Wasser, der Roboter braucht überhaupt keine. Flügelgröße, Schlagfrequenz und Leitwerkswinkel genügten.

Der Nutzen liegt auf dem Meer. Ozeandaten stammen bislang vor allem von Forschungsschiffen, die teuer sind und sich weder brechendem Eis noch flachen Riffen oder Tieren gefahrlos nähern können. Erstautor Raphael Zufferey, der die Arbeit an der EPFL begann und heute das AURA Lab am MIT leitet, beschreibt den Start von Boot oder Strand aus: hinfliegen zu einem Eisberg, einer Hafenanlage oder einer Walgruppe, abtauchen, eine Probe nehmen und die Daten zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten zurückbringen. Die nächsten Versionen sollen Flügel bekommen, die sich nicht nur schlagen, sondern auch verdrehen lassen – damit die Maschine in Böen und rauem Wasser auf Kurs bleibt.