Feinmechanik der Federn Bionik: Forscher entwickeln Roboter-Vogelflügel

Seit mehr als 20 Jahren scheitern Ingenieure daran, die Flügel von Vögeln künstlich nachzubauen. Zwei neue Studien zeigen jetzt, wie wichtig ultrafeine Strukturen in Federn und Aufbau der Flügel tatsächlich sind.

Möwe am Himmel
Möwe im Flug: Bislang ist noch keinem Ingenieur gelungen, einen Vogelflügel für Roboter nachzubauen. Bildrechte: imago images / CHROMORANGE

Wie ein Vogel durch die Lüfte zu gleiten, davon träumen Menschen schon immer. Aber trotz Fortschritt der Technik, trotz Flugzeugen und Hubschraubern sind bislang noch alle Ingenieure daran gescheitert, einen Vogelflügel nachzubauen. Kein Roboter erreicht bislang die extreme Flexibilität und Wendigkeit, mit der Vögel die Luft mit ihren Federn lenken.

Welche Funktion haben Skelett und Muskeln in Vogelflügeln?

In den vergangenen 20 Jahren haben viele Robotikforscher künstliche Flügel konstruiert. Allerdings verwendeten sie meist steife Panele statt Federn. Und die Mechanik von Skelett und Muskeln sei bislang auch zu wenig verstanden worden, schreiben jetzt zwei internationale Forscherteams in Science und Science Robotics. Sie präsentieren jetzt neue bionische Erkenntnisse, die Vogelflügel rekonstruierbarer machen sollen.

Dazu untersuchte das Team um Eric Chang die Flügel gewöhnlicher Tauben. Die Wissenschaftler maßen die Beweglichkeit der Federn, während die Flügel gespreizt und während sie gebeugt wurden. Ihre Erkenntnisse übertrugen sie dann auf einen Taubenroboter, der einen künstlichen Flügel mit über 40 echten Taubenfedern bekam. Diese Federn waren durch elastische Bänder mit den Flügelgelenken und Fingern der Maschine verbunden.

Vogelfedern verfügen über winzige Klettverschlüsse

Kanadagans (Branta canadensis), Schwingengefieder
Viele Voglefedern verfügen über Mikrostrukturen, die sie je nach Flügelschlag-Phase fest oder flexibel machen. Bildrechte: imago images / blickwinkel

Im Windkanal untersuchten die Forscher dann, wie die Federn an den künstlichen Fingern genau angeordnet sein mussten, um Feinkontrolle über die Flugeigenschaften zu erhalten. Bei Versuchen fand das Team heraus, dass sie mit asymmetrischen Gelenk- und Fingerbewegungen stabile Wendemanöver durchführen konnten. Dass sei ein Hinweis, dass Vögel ihren Flug tatsächlich mit ihren Fingern lenken, schreiben die Forscher in Science Robotics.

In Science wiederum analysierte das Team von Laura Matloff, wie einzelne Federn verschiedener Vogelspezies im Flug zusammenwirken. Die Forscher identifizierten zwei Hauptmechanismen, die der Wandelbarkeit der Flügel zugrunde liegen. Einerseits sei das die Art, wie Federn im Flug passiv umverteilt werden. Andererseits gehe es darum, wie benachbarte Federn befestigt sind und wie sie sich mit hakenförmigen Mikrostrukturen aneinander festhalten können.

Kleiner Klettverschluss an den Federn

Diese winzigen Haken gleichen einem Klettverschluss und stehen aus den "Federästen" hervor. Spreizen Vögel ihre Flügel, festigen diese Mikrostrukturen Federn. Beim Einklappen wiederum lösen sich die kleinen Haken. Ohne diesen Klettverschluss könnten die Federn nicht so kohärent koordiniert werden, um auf die verschiedenen Strömungsbedingungen zu reagieren, vermuten die Forscher.

Allerdings fanden sie auch heraus, dass leise Flieger, wie Schleiereulen, ohne diese Klettverschlüsse auskommen. Warum das so ist und welche Anwendungsmöglichkeiten sich für die Industrie ergeben, sollen weitere Untersuchungen zeigen.

(ens)

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL | 13. Oktober 2019 | 09:20 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 16. Januar 2020, 20:00 Uhr

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