EPFL-Forschende entwickeln revolutionären, von Vögeln inspirierten Roboter

Die Schweizer Innovation hat die Grenzen der Robotik einmal mehr gesprengt. Bei einer bahnbrechenden Entwicklung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben Forschende RAVEN vorgestellt, eine Drohne, die mit Konventionen bricht, indem sie geht, hüpft und springt, um abzuheben. Sie ist nicht einfach eine weitere Flugmaschine, sondern ein von der Natur inspiriertes Wunderwerk, das die agilen Bewegungen von Rabenvögeln nachahmt und die Lücke zwischen Fortbewegung am Boden und in der Luft schliesst.

Während herkömmliche Starrflügeldrohnen auf Startbahnen oder Abschussvorrichtungen angewiesen sind, befreit sich RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) von diesen Einschränkungen. Dank der Integration vogelähnlicher Beine kann sich das Gerät in Umgebungen bewegen, die für robotische Erkundungen bisher als unzugänglich galten. Die möglichen Auswirkungen sind enorm: Von Such- und Rettungseinsätzen in mit Trümmern übersäten Katastrophengebieten bis zur Umweltüberwachung in dichten Wäldern verspricht RAVEN Zugang zu Orten, an denen Räder und Rotoren an ihre Grenzen stossen. Die diese Woche in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlichte, von der Schweiz angeführte Entwicklung markiert einen entscheidenden Moment in der Evolution autonomer Systeme.

Einen Roboter zu entwickeln, der fliegt, ist schwierig. Einen zu entwickeln, der geht und fliegt, ist eine gewaltige technische Herausforderung. Won Dong Shin, Doktorand am Labor für Intelligente Systeme der EPFL, nahm sich dieser Frage direkt an. Durch die sorgfältige Kombination mathematischer Modellierung und Computersimulationen entwickelte Shin ein massgeschneidertes Beinsystem, das mechanische Komplexität mit strengen Gewichtsbeschränkungen in Einklang bringt. Das Ergebnis ist ein Meisterstück der Effizienz: eine Drohne, die lediglich 620 Gramm wiegt und dennoch kraftvoll abspringen kann.

«Vögel können beim Starten und Landen zwischen Gehen und Rennen wechseln, ohne auf eine Startbahn oder eine Abschussvorrichtung angewiesen zu sein. In der Robotik fehlen noch immer Plattformen, die solche Bewegungen ermöglichen», erklärte Shin. Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team eine ausgeklügelte Anordnung aus Federn und Motoren, die die kräftigen Sehnen und Muskeln von Vögeln nachahmt. Indem die schwersten Komponenten nahe am Körper platziert wurden, so wie es die Natur bei der Anatomie von Vögeln vorsieht, erreichte das Team einen Schwerpunkt, der am Boden für Stabilität sorgt, ohne die Aerodynamik in der Luft zu beeinträchtigen.

Frühere Versuche mit Hybridrobotern fanden nicht das richtige Gleichgewicht: Läufer waren zu schwer zum Fliegen, und Springer konnten nicht präzise genug gehen. RAVEN überwindet diese Einschränkungen. Der Roboter kann über Lücken klettern und senkrecht auf Flächen springen, die 26 Zentimeter höher liegen. Dank dieser dynamischen Beweglichkeit kann er unebenes, anspruchsvolles Gelände durchqueren, das herkömmliche Drohnen am Boden halten würde.

Die Forschenden stellten fest, dass Springen nicht bloss ein spektakulärer Trick ist, sondern die effizienteste Startmethode. Bei der Analyse verschiedener Flugmodi, darunter Starts aus dem Stand und freier Fall, fand das Team heraus, dass ein kraftvoller Sprung sowohl die kinetische Energie (Geschwindigkeit) als auch die potenzielle Energie (Höhe) maximiert. Diese Effizienz ist entscheidend für autonome Einsätze in beengten Bereichen, in denen ein Eingreifen durch Menschen unmöglich ist. RAVEN fliegt nicht einfach, sondern katapultiert sich mit der explosiven Kraft eines Raubtiers in den Himmel.

Während RAVEN beim Start und im Flug glänzt, bleibt die Landung die letzte grosse Herausforderung. Das EPFL-Team arbeitet derzeit gemeinsam mit amerikanischen Forschenden an der komplexen Physik, die es braucht, um den Vogelroboter in unterschiedlichen Umgebungen sicher auf den Boden zurückzubringen. Die Landung zu meistern, ist der letzte Schlüssel zu vollständig autonomen Einsätzen mit mehreren Fortbewegungsarten.

Diese Entwicklung kommt für die Schweiz zu einem entscheidenden Zeitpunkt. Da sich Drohnenkriegsführung und Überwachung weltweit weiterentwickeln, überdenken die Schweizer Armee und der Zivilschutz ihre Strategien aktiv. Innovationen wie RAVEN bringen die Schweiz an die Spitze dieser technologischen Revolution. Mit der Entwicklung einer leichten, agilen Plattform, die ohne Startbahnen eingesetzt werden kann, hat die EPFL die Grundlage für die nächste Drohnengeneration geschaffen: Maschinen, die die Welt nicht nur von oben beobachten, sondern auch physisch mit ihr interagieren.