Der Natur auf die Flügel geschaut

Artikel vom 29. März 2018 

Technik in 60 Sekunden - Fliegen

Der Traum vom Fliegen ist einer der ältesten der Menschheit. Seit jeher schauen wir dabei mit Faszination auf die Tierwelt, die auf verschiedenste Art und Weise zeigt wie es funktioniert. Auch im Bionic Learning Network ist das Fliegen ein immer wiederkehrendes Thema. Im Verbund mit Hochschulen, Instituten und Entwicklerfirmen entwirft Festo seit Jahren Forschungsträger, deren technische Grundprinzipien aus der Natur abgeleitet sind.

Zunächst haben unsere Bionik-Experten dem Mantarochen auf die Flossen geschaut. Dieser lebt zwar im Wasser, aber dennoch schlagen seine großen Brustflossen wie Flügel auf und ab, wenn er schwimmt. Dieses Prinzip haben wir im Jahr 2007 auf den Air_ray übertragen. Durch seine Leichtbauweise, den Auftrieb von Helium und den Schlagflügelantrieb mit Fin Ray Effect® bewegt er sich in der Luft wie sein natürliches Vorbild im Meer. Ein ähnliches Konzept steckt auch in den AirPengiuns von 2009. Ihre Flugtechnik kommt der Schwimmtechnik ihrer biologischen Vorbilder sehr nahe. Durch die sich passiv verdrehenden Flügel lassen sich sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsschub erzeugen.

Vom Wasser in die Luft

Darauf aufbauend haben wir 2011 den Vogelflug entschlüsselt und den SmartBird präsentiert. Der von der Silbermöwe inspirierte, bionische Technologieträger kann selbst starten, fliegen und landen – ohne zusätzlichen Antrieb. Seine Flügel schlagen dabei nicht nur auf und ab, sondern verdrehen sich gezielt. Dies geschieht durch einen aktiven Gelenktorsionsantrieb, der in Verbindung mit einer komplexen Regelung bisher unerreichte Wirkungsgrade im Flugbetrieb realisiert.

BionicOpter: Flugkünste der Libelle

Eine noch komplexere Flugart ist bei der Libelle zu beobachten. Ihre Flugkünste sind einzigartig: Sie kann in alle Raumrichtungen manövrieren, in der Luft stehen bleiben und ganz ohne Flügelschlag segeln. Durch die Fähigkeit, ihre beiden Flügelpaare unabhängig voneinander zu bewegen, kann sie abrupt abbremsen und wenden, rasant beschleunigen und sogar rückwärts fliegen. Mit dem BionicOpter hat unser Bionik-Team 2013 diese hochkomplexen Eigenschaften in einem ultraleichten Flugobjekt technisch umgesetzt. Erstmals beherrscht ein Modell mehr Flugzustände als Hubschrauber, Motor- und Segelflugzeuge zusammen. Durch Steuerung der Schlagfrequenz und der Verdrehung der einzelnen Flügel lassen sich so alle vier individuell in Schubrichtung und Schubstärke einstellen. So kann die ferngesteuerte Libelle nahezu jede Lageorientierung im Raum einnehmen.

eMotionButterflies: Fliegen im Kollektiv

Perfektioniert hat Festo den Leichtbau und die Miniaturisierung im Jahr 2015 mit den eMotionButterflies: Jeder der bionischen Schmetterlinge wiegt nur 32 Gramm. Um dem Flug ihres natürlichen Vorbilds so nahe wie möglich zu kommen, verfügen die eMotionButterflies über eine hochintegrierte On-Board-Elektronik. Sie kann die Flügel präzise und individuell ansteuern und so die schnellen Bewegungen umsetzen. Zehn im Raum installierte Kameras erfassen die Schmetterlinge über deren Infrarotmarker. Die Kameras leiten die Positionsdaten an einen zentralen Leitrechner weiter, der die Schmetterlinge von außen koordiniert.

BionicFlyingFox
BionicFlyingFox: Während des Flugs vergleicht ein Leitrechner die Soll-Flugbahnen des künstlichen Flughundes mit den tatsächlichen. Durch Machine Learning passt er diese immer besser an.

BionicFlyingFox: Teilautonomes Fliegen

Diese intelligente Vernetzung haben die Bioniker weiterentwickelt und zeigen auf der Hannover Messe 2018 den BionicFlyingFox, der sogar teilautonom fliegt. Dies ist durch die Kombination aus Onboard-Elektronik und externem Kamerasystem möglich. Dadurch fliegt das künstliche Fledertier mit einer Spannweite von 2,28 Metern durch die Lüfte. Von den Fingerspitzen bis zu den Füßen des künstlichen Fledertiers spannt sich eine dehnbare, luftdichte Haut. Die speziell entwickelte Membran besteht aus einem Elastangestrick und punktuell verschweißten Folien. Dank dieser Wabenstruktur kann der BionicFlyingFox selbst bei leichten Verletzungen des bionischen Gewebes fliegen.

So unterschiedlich das Flugverhalten der Tiere in der Natur ist – für den Übertrag in die Technik sind die großen Herausforderungen stets der Leichtbau und die Funktionsintegration. Mit dem BionicFlyingFox, bei dem alle Gelenkpunkte seiner hochbelasteten Kinematik in einer Ebene liegen, sodass sich der gesamte Flügel im Scheren-Prinzip zusammenfalten lässt, hat Festo nun alle Flugarten der Tierwelt entschlüsselt. Aber die Natur bietet noch viele andere einzigartige Lösungen, die das Bionik-Team in Zukunft für neue technische Lösungen inspiriert.

Wenn Sie den BionicFlyingFox bei seiner Flugshow miterleben wollen, besuchen Sie Festo vom 23. bis 27. April 2018 auf der Hannover Messe.