BionicFinWave

BionicFinWave

Unterwasserroboter mit einzigartigem Flossenantrieb 

Meeresstrudelwurm, Sepia und Großnilhecht haben eines gemeinsam: Um sich fortzubewegen, erzeugen sie mit ihren Längsflossen eine durchgängige Welle, die sich entlang ihrer gesamten Länge voranschiebt. Mit dieser so genannten undulierenden Flossenbewegung manövriert sich auch der BionicFinWave durch ein Rohrsystem aus Acrylglas. Dabei kann der autonome Unterwasserroboter über Funk mit der Außenwelt kommunizieren und Daten – wie die erfassten Sensorwerte für Temperatur und Druck – an ein Tablet übertragen.

Die Längsflossen der natürlichen Vorbilder verlaufen von Kopf bis Schwanz und befinden sich entweder am Rücken, am Bauch oder an beiden Seiten des Körpers. Mit der wellenförmigen Bewegung der Flossen schieben die Fische das Wasser nach hinten, wodurch ein Vorwärtsschub entsteht. Umgekehrt können die Tiere so auch rückwärts schwimmen und je nach Wellenmuster für Auftrieb, Abtrieb oder gar Seitenschub sorgen.

Flexible Silikonflossen für naturgetreue Schwimmmanöver

Der BionicFinWave nutzt zur Fortbewegung seine beiden Seitenflossen. Sie sind komplett aus Silikon gegossen und kommen ohne Verstrebungen oder andere Stützelemente aus. Dadurch sind sie äußerst nachgiebig und können so die flüssigen Wellenbewegungen der biologischen Vorbilder naturgetreu umsetzen.

Dazu sind die beiden Flossen links und rechts jeweils an neun kleinen Hebelarmen befestigt. Diese wiederum werden von zwei Servomotoren angetrieben, die im Körper des Unterwasserroboters sitzen. Zwei anliegende Kurbelwellen übertragen die Kraft auf die Hebel, sodass sich die beiden Flossen individuell bewegen lassen. So können sie unterschiedliche Wellenmuster generieren, die sich besonders für eine langsame und präzise Fortbewegung eignen und Wasser weniger aufwirbeln als beispielsweise ein konventioneller Schraubenantrieb.

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    Wellenförmiger Antrieb: die undulierende Bewegung der flexiblen Silikonflossen

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    Autonomes Navigieren durch ein mit Wasser gefülltes Rohrsystem

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    Natürliche Vorbilder: die undulierende Flossenbewegung bei Sepia und freilebendem Meeresstrudelwurm

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    Optimal ausgelegter Körper mit integrierter Bordelektronik

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    Neue Erkenntnisse für die Softrobotik: die flexible Silikonflosse aus einem Guss

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    Filigrane Mechanik: die im 3D-Verfahren gedruckte Kurbelwelle mit anliegendem Hebelarm

Um eine Kurven zu schwimmen, bewegt sich beispielsweise die äußere Flosse schneller als die innere – vergleichbar mit den Ketten eines Baggers. Ein dritter Servomotor am Kopf des BionicFinWave steuert die Biegung des Körpers, mit deren Hilfe er nach oben und unten schwimmen kann. Damit die Kurbelwellen entsprechend flexibel und biegsam sind, sitzt zwischen jedem Hebelsegment ein Kardangelenk. Dazu wurden die Kurbelwellen inklusive der Gelenke und des Pleuels aus Kunststoff in einem Stück im 3D-Druck-Verfahren gefertigt.

Intelligentes Zusammenspiel verschiedenster Komponenten

Auch die restlichen Körperelemente des BionicFinWave sind im 3D-Verfahren gedruckt. Mit ihren Hohlräumen fungieren sie als Auftriebskörper. Gleichzeitig ist hier auf engstem Raum die gesamte Steuerungs- und Regelungstechnik wasserdicht und sicher verbaut und aufeinander abgestimmt. So sitzen im Vorderteil des Körpers neben der Platine mit Prozessor und Funkmodul auch ein Drucksensor sowie Ultraschallsensoren. Sie messen permanent die Abstände zu den Wänden sowie die Tiefenposition im Wasser und vermeiden so Kollisionen mit dem Rohrsystem.

Neue Impulse und Denkansätze für die Prozessindustrie

Mit dem bionischen Technologieträger setzt unser Bionic Learning Network einmal mehr einen Impuls für die zukünftige Arbeit mit autonomen Robotern und neuen Antriebstechnologien im Einsatz in flüssigen Medien. Denkbar wäre es, Konzepte wie den BionicFinWave für Aufgaben wie Inspektionen, Messreihen oder Datensammlungen weiterzuentwickeln – etwa für die Wasser- und Abwassertechnik oder andere Gebiete der Prozessindustrie. Zudem lassen sich die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Herstellungsverfahren von Softrobotik-Komponenten nutzen.