Wenn Roboter mit den Flügeln flattern
Kleine Roboter, die fliegen können wie ein Insekt. An solchen biomimetischen Flugobjekten haben Ingenieure weltweit ein starkes Interesse. Noch kann sich kein Roboter auf diese Weise in die Luft erheben. Doch die Basis ist gelegt. An der Universität Ulm.
Von Susanne Heliosch
Wie gelingt es der Fruchtfliege, in der Luft zu bleiben? Wie entstehen aus ihren Flügelbewegungen aerodynamische Kräfte und wie kontrolliert ihr Nervensystem dies? – Fragen, auf die Dr. Fritz-Olaf Lehmann mit seiner Arbeitsgruppe, bestehend aus drei promovierten Biologen und einem Ingenieur, Antworten sucht.
Der Privatdozent arbeitet an der Universität Ulm an seinem eigenen Forschungsprogramm. Finanziert werden Gehälter und Ausstattung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen eines auf fünf Jahre angelegten Biotechnologie-Programms. „Wir wollen verstehen, wie kleine Insekten in der Luft bleiben und fliegen und diese fantastischen Flugeigenschaften haben“, erläutert der Verhaltensbiologe Lehmann.
Bereits 1999 veröffentlichten er und sein Team in dem Wissenschaftsmagazin „Science“ eindrucksvolle Ergebnisse. Darin wird ein bis bislang unbekannter Effekt beschrieben, der erkennen lässt, wie die nur wenige Millimeter große Taufliege Drosophila besonders effizient fliegen kann. „Es gelingt ihr mit einer Art Energie-Recycling“, erklärt Lehmann.
Anders als der starre Flügel eines Flugzeuges, bewegt sich der Flügel der Taufliege nämlich während des Schwebfluges in der Waagrechten 200-mal in der Sekunde hin und her.
 Um diese Bewegung zu erzeugen sind Drehphasen ausschlaggebend, die den Flügel in die entgegengesetzte Richtung führen. Bewegt sich der Flügel hin und her, strömt Luft von oben nach unten. Unmittelbar nach der Drehphase am Ende jeden Vor- und Rückschlags, setzt das Recycling ein: Die Luftströmung vom vorausgehenden Flügelschlag fließt etwas länger nach, sodass der Flügel ein zweites Mal in diese Strömung eintaucht. „Physikalisch gesehen wird dabei ein Teil der Bewegungsenergie der Luft aus dem Strömungsfeld extrahiert“, schildert der Forscher.
„Wir sind primär an der Biologie und an der Grundlagenforschung interessiert, nicht an einem anwendungsorientierten Produkt“, hebt Fritz-Olaf Lehmann hervor. An einem Produkt zeigen andere Interesse: Inzwischen nutzen Ingenieure das Wissen um das Energie-Recycling, um es anwendungsorientiert weiterzuentwickeln. Denn momentan seien viele Ingenieure an der Realisierung von biomimetischen Kleinstrobotern interessiert, von Flugobjekten also, die aus der Biologie abgeleitet sind.
So hat eine Forschergruppe an der University of Carlifornia Berkley, inspiriert von den Ergebnissen aus Ulm, eine künstliche Schmeißfliege entworfen, ein mechanisches Modell, das die neu entdeckten Flugeigenschaften in sich vereint. Selbständig fliegen kann dieses „Tier“ noch nicht, aber es existiert bereits ein Prototyp. „Dieses technische Objekt ist sehr manövrierfähig, so wie eine lebende Fliege, und es hat durch die neuen aerodynamischen Mechanismen möglicherweise einen energetischen Vorteil“, beschreibt Lehmann.
Großes Interesse an Objekten dieser Art hat das amerikanische Militär. Ausgerüstet mit Sensoren könnten die künstlichen Fliegen als Erkundungsobjekte eingesetzt werden. Eine Nutzung, von der sich Fritz-Olaf Lehman und sein Team distanzieren. Denkbar ist auch die Verwendung dieses modernen Flugobjekts für zivile Zwecke. „Damit könnte man zum Beispiel in ein brennendes Haus fliegen, um schneller die Opfer zu finden“, regt Lehmann an.
 Insekten sind für die anwendungsorientierte Forschung hervorragende Beispiele, wie Lehmann unterstreicht. Das gilt für das Fliegen, aber auch für die Funktionsfähigkeit. Fehlt bei der Taufliege eine Stück Flügel oder ein Bein, bewegt sich das Tier scheinbar trotzdem normal weiter. In der Robotik wird dieser Aspekt zur Zeit sehr stark in den Vordergrund gerückt. Denn man ist bestrebt, Roboter mit unkomplizierten Gliedern zu konstruieren. Ähnlich wie bei der Fliege, soll etwa bei Laufrobotern der Totalausfall vermieden werden, wenn ein Funktionsteil ausfällt.
Die NASA investiert bereits Millionen von Dollars, um irgend wann einmal einen robusten, fliegenden Roboter mit flatternden Flügeln auf den Mars schicken zu können. Ein Video zeigt bereits, wie er aussehen könnte. Doch wann es tatsächlich ein funktionsfähiges Modell geben wird, steht in den Sternen. Nah an der Wirklichkeit indes ist die Kooperation von Biologen und Ingenieuren. „Wir praktizieren bereits gemeinsame Konferenzen“, so Fritz-Olaf Lehmann. Das Interesse der Ingenieure an biomimetischen Bewegungen, wie Flügel- und Beinbewegungen sei groß.
Im Gegenzug dazu wollten die Biologen grundsätzliches von den Ingenieuren lernen, zum Beispiel das Gesetz der Aerodynamik. „Wir hier in Ulm sind, glaube ich, ein klassisches Beispiel für multidisziplinär und integrative Forschung“, kommentiert Lehmann. „Multidisziplinär, weil wir Untersuchungsmethoden aus den Ingenieurswissenschaften und der Biologie verquicken. Integrativ, weil wir sehr verschiedene Aspekte des Insektenflugs untersuchen.“
Susanne Heliosch
1961 bei Ulm geboren. Studierte Kunstgeschichte, Volkskunde und Religionswissenschaft an der Uni Regensburg. Danach Studium der Empirischen Kulturwissenschaft an der Uni Tübingen. Ausstellungsmacherin und Medienpädagogin beim Rundfunk. Seit 1995 freie Journalistin. Bevorzugt Fragestellungen aus Medizin und Forschung, Natur und Umwelt sowie Themen aus der historischen wie zeitgenössischen Alltagskultur. Verfassen von Auftrags-Biografien.
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