Unter Wasser und in der Luft: Diese Drohne kann tauchen und fliegen

Drohnen werden immer wichtiger. Sie werden etwa in der Landwirtschaft, der Kartierung, dem Lieferverkehr und bei Wartungseinsätzen verwendet. Forscher:innen aus China haben nun eine Drohne entwickelt, die nahtlos zwischen Luft und Wasser wechseln kann. Sie kann sowohl tauchen und Unterwasseraufnahmen machen als auch fliegen und dabei nahtlos weiter filmen. Mit einem speziellen Saugnapf kann die Drohne selbst auf Walen oder Fischen als Anhalter mitfahren.

Bild: Beihang University / Science Robotics

Propeller verringern Wasserwiderstand

Entwickelt wurde diese Drohne von einem Team rund um Lei Li von der Beihang-Universität in Peking entwickelt. Die besonderen Fähigkeiten der Drohne beruhen weitestgehend auf zwei ihrer Eigenschaften. Da wären zum einen die Rotoren. Diese wurden so konstruiert, dass sie sich unter Wasser von selbst einfalten und so den Wasserwiderstand reduzieren. Während des Übergangs drehen sich die Propeller mit reduzierter Geschwindigkeit weiter. Dieser nahtloser Übergang macht es möglich, dass die Drohne ohne zu stoppen zwischen dem Betrieb in der Luft und unter Wasser wechseln kann. „Bei voller Leistung benötigt der Roboter nur 0,35 Sekunden um den Wasser-zu-Luft-Übergang zu vollenden„, so die Forscher:innen. Der Wechsel zwischen Wasser und Luft kann zudem auch wiederholt in schneller Abfolge durchgeführt werden. In praktischen Tests waren so sieben Wechsel des Betriebsmodus innerhalb von nur 20 Sekunden möglich.

Saugnapf für viele Oberflächen

Die zweite Eigenschaft ist die Fähigkeit, sich an beliebige Oberflächen anzuheften und daran festzuhalten. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Oberflächen glatt oder rau sind oder sich gar bewegen. Hinter dieser Fähigkeit steckt ein hydrostatischer Saugnapf, der vom Haftapparat sogenannter Schiffshalter-Fische inspiriert wurde. Diese Fische können sich mithilfe einer Saugplatte an der Haut von Haien oder Walen anheften.

„Wir fasziniert davon, dass die Saugplatte des Schiffshalter-Fischs nicht nur unter Wasser funktioniert sondern auch an der Luft„, erklären die Wissenschaftler:innen. Die Saugplatte des Schiffshalter-Fischs verfügt über mehrere redundante Kammern und eine Stützkonstruktion aus harten und weichen Komponenten.

Erfolgreiche Tests

Li und sein Team haben das Prinzip dieser Saugplatte nachgebaut. Ihre Drohne verfügt über eine Haftplatte mit mehreren länglichen Kammern, die über bewegliche Haftlamellen verfügen. Bei einer Landung der Drohne auf einer Oberfläche geben die Lamellen nach und legen sich flach an den Untergrund an. Der Roboter verringert dann den Druck auf die Lamellen, sodass diese sich wieder leicht aufstellen und ein Unterdruck entsteht. Als Resultat haftet die Drohne dann an der Oberfläche. Diese Haftung wird dann durch eine hydrostatische Hafthilfe unterstützt, mit der Andruck und Winkel der Lamellen reguliert werden kann. Dank dieses Zusatzsystems kann die kleine Drohne sich auch sehr schnell wieder vom Untergrund lösen, indem die Lamellen soweit aufgestellt werden, dass sie nicht mehr luftdicht abschließen und es zu einem Druckausgleich kommt.

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In ersten Tests konnte die Drohne dank dieser Haftvorrichtung an unterschiedlichsten Oberflächen haften. „ Der Roboter kann sich an ein horizontales Dach oder bis zu 45 Grad geneigten Flächen anheften. Weil die Drohne großen seitlichen und längs gerichteten Kräften widerstehen kann, kann sie auch auf sich bewegenden Wirten ‚per Anhalter‘ reisen„, so die Forscher:innen.

Im Test konnte das Team die Drohne dazu bewegen, an einem schwimmenden Boot mitzureisen und Videoaufnahmen zu machen. Dabei sank der Energieverbrauch etwa um den Faktor 20 im Vergleich zum Betrieb mit eigenem Antrieb.

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten

Eine derartig konstruierte amphibische Drohne eignet sich beispielsweise besonders gut dazu, in der Meeresumwelt Überwachungsaufgaben wahrzunehmen. Auch ein Einsatz im Süßwasser ist denkbar.

Aktuell kann die Drohne eine Tauchtiefe von etwa zwei Metern erreicht werden. Ab dieser Tiefe geht dann die Kommunikationsverbindung zur Oberfläche verloren. Diese Tauchtiefe könne aber noch erweitert werden, so die Forscher:innen. Außerdem wäre es denkbar, den Betrieb der Drohne in Zukunft zu autonomisieren.

via EMPA