Wasserroboter imitiert die Bewegung des Thunfischs, um den Geschwindigkeitsrekord zu brechen

Ein Doktorand der TU Delft von Soft Robotics, Industrial Design Engineering, hat den schnellsten schwimmenden, flexiblen Roboterfisch entwickelt. Der Prototyp ahmt die Bewegung von echten Fischen nach und kann bis zu 0,85 m/s schnell sein. Das ist mindestens 27% schneller als das Tempo des bisherigen Rekordhalters.

Angefangen hat alles, als Sander van der Berg ein Projekt für seine Diplomarbeit suchte, das einen wesentlichen Beitrag zur Robotik leisten sollte. Aber auch eines, das innerhalb der kurzen Zeit, die er dafür zur Verfügung hatte, durchgeführt werden konnte.

Diese Möglichkeit fand er beim Thema oszillierender Flossenantrieb (Roboterfisch). Das ist ein vielversprechendes Gebiet, das sich noch in einem frühen Forschungsstadium befindet, so dass innerhalb relativ kurzer Zeit viel Potenzial für ein innovatives Design bestand.

„Nachdem ich ein paar Abhandlungen gelesen hatte, sah ich bald, dass es noch Verbesserungsmöglichkeiten gab. Was ich schließlich mit einem einzigen Gleichstromantrieb (DC) geschafft habe. Es ist das erste System, das einen einzigen Gleichstrommotor verwendet, der eine höhere Anzahl der präzisen Schwenkbewegungen erzeugen kann, die ein Roboterfisch benötigt, um sich schneller fortzubewegen. Dieser erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von bis zu 0,85 m/s”, sagte van Der Berg zu Innovation Origins.

Der bisherige Rekord wurde von Jun Zhong und seinen Mitarbeitern gehalten. Seine bionischen Roboterfische schwammen bereits 2017 mit einer Geschwindigkeit von 0,67 m/s.

Der flexible Roboter konnte diese Rekordgeschwindigkeit übertreffen, indem in einer flüssigen, S-förmigen Bewegung schwamm, ähnlich wie ein Fisch seine Flossen und seinen Schwanz bewegt. Das dafür aktiv genutzte Teil wird von einem einzelnen Gleichstrommotor von einer Seite zur anderen Seite gezogen. Ein weiterer Teil biegt sich entsprechend dem Widerstand des Wassers.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Antriebsrotorblätter ist das gesamte System außerdem wasserdicht.

Für den Bau des Unterwasserroboters mussten starren 3D-Teile gedruckt werden, eine Kunststoffplatte, die für den flexiblen Teil verwendet wurde und biegsam sein musste, sowie eine weichen Silikonhaut, die zur Herstellung der hydrodynamischen Form verwendet wurde. Darüber hinaus wurden mit Hilfe von Computermodellen die genauen Bewegungen der Fische programmiert.

Nach Angaben des Doktoranden könnte dieser Roboter noch höhere Geschwindigkeiten erreichen.

„Das Ziel war Geschwindigkeit und so wurde eine höhere Geschwindigkeit erreicht. Das System ist noch nicht vollständig optimiert, so dass eine noch schnellere Geschwindigkeit erreicht werden könnte, wahrscheinlich mit dem gleichen Prototyp”, sagte van der Berg.

„Man muss bedenken, wie wichtig es ist, dass unsere Fische frei schwimmen können und dass sie flexibel sind. Es gibt Roboterfische da draußen, die schneller schwimmen, wenn sie zum Beispiel an etwas befestigt waren. Sie können den Kopf nicht drehen, deshalb können sie schneller und besser schwimmen, als wenn sie tatsächlich frei herumschwimmen würden. Das flexible Design ermöglicht eine flüssigere Bewegung (effizienter) und verwendet einen einzigen Motor (auch effizienter, kostengünstiger und weniger komplex). Und was wirklich von größter Bedeutung ist – es schadet der Umwelt nicht, in der es schwimmt. Wenn es gegen etwas stößt, biegt es sich einfach”, fügte er hinzu.

Van der Berg ist aus dem Projekt ausgestiegen, da sein Studium abgeschlossen hat. Allerdings gibt es derzeit einen neuen Doktoranden, der für das Projekt eingestellt wurde, und eine neue Arbeit ist in Vorbereitung.

Bewegungen wie ein Fisch

Bei der Entwicklung des Roboters orientierte man sich in erster Linie an der Art und Weise, wie ein Thunfisch schwimmt.

„Es ist bewiesen, dass thunniformes Schwimmen eine der effizientesten oder sogar die effizienteste Form des Schwimmens ist. Anstelle einer einfachen, rückwärtigen Kraft verwendet er Wirbel, um am Rücken maximalen Schub zu erzeugen. Das nennt man eine umgekehrte Kármán‘sche Wirbelstraße.”

Was ihn an dieser Forschung auch reizte, war die Tatsache, dass thunniformes Schwimmen nur einen kleinen Teil des Schwanzes aktiviert. Das wiederum ermöglicht es einem großen Teil des Körpers, etwas zu tragen. „Das bedeutet, dass praktische Anwendungen möglich sind. Das von uns entwickelte Getriebesystem ist ebenfalls recht breit ausgelegt, was sich in der Breite als ähnlich wie der Torso eines Thunfischs herausstellte. Alles in allem war er nicht wie ein Thunfisch konzipiert, aber seine Belastbarkeit, seine Effizienz und Geschwindigkeit ließen ihn wie einen Thunfisch aussehen und handeln.”

Worin besteht sein Beitrag?

Bei der Diskussion darüber, was genau dieser Prototyp zu bieten hat, sagte van der Berg, dass „es viele kurzfristige Vorteile gibt. Aber das ultimative Ziel ist es, ein effizienteres Antriebssystem als Alternative für die meisten Unterwasser-Rotorblattantriebe zu entwickeln.”

Er sieht Potenzial in dem Weg, auf dem sich dieses Projekt befindet

„Schon bevor man das in einem vernünftigen Kostenrahmen erreichen kann, gibt es viele Vorteile zu bedenken. Ich habe bereits das verringerte Risiko von Umweltschäden erwähnt. So verursachen beispielsweise herkömmliche Rotorblätter viel Lärm und saugen Schmutz an. Die Meereslebewesen können durch diese schnell und scharf rotierenden Klingen leicht verletzt werden. Die Schwingung ist viel leiser, sie schädigen nichts, mit dem sie in Berührung kommen, und saugen keine Ablagerungen an.”

Die Art und Weise, wie es die Tierwelt achtet, macht es zu einem idealen Instrument für die Forschung in diesem Bereich.

Darüber hinaus glaubt er, dass die Vorteile von Schwingungssystemen für Unterwasserdrohnen oder U-Boote genutzt werden können, da sie Tieftauchgänge effizienter machen können, vor allem, weil das flexible Lamellenschwingsystem absolut wasserdicht ist.

Was diese Maschine bietet, ist aber nicht nur auf die Unterwasserwelt beschränkt. Es sind nur ein paar zusätzliche Recherchen nötig.

„Das Vorhersagemodell wie gut der flexible Teil funktioniert und die Auslegung des Systems für höhere Geschwindigkeiten könnte vielleicht auch auf Drohnen in der Luft (mit einem Schwingungssystem) angewendet werden. Jemand anders könnte weitere Anwendungen entdecken, an die ich noch nicht gedacht habe.“

Folglich stellt der Forscher fest, dass der Roboterfisch im Allgemeinen ein großes Effizienzpotenzial hat. Selbst auf Wasseroberflächen kann die Flossenschwingung 100% effizienter sein. Das bedeutet, dass die Einsatzmöglichkeiten enorm sind.