Ein Forschungsteam der Cornell University hat ein Computermodell entwickelt, das die komplexen physikalischen Einflüsse auf den stabilen Flug von Vögeln und Insekten abbildet. Das Modell kann dazu verwendet werden, um flügelschlagende Roboter zu bauen, die ähnlich stabile Flugeigenschaften aufweisen wie ihre biologischen Vorbilder. Außerdem könne damit die Evolution flügelschlagender Vögel und Insekten nachvollzogen und erforscht werden.
Vogel- oder insektenähnliche Roboter zu bauen, die per Flügelschlag angetrieben stabil fliegen können, ist nicht trivial. Die Schwierigkeit liegt in der Morphologie der Vögel und Insekten. Der Körperaufbau spielt bei der Stabilisierung im Flug eine entscheidende Rolle, wie die Forscher in der Studie „Stable flapping flight in morphological space: Model, simulation, and explicit stability criteria“ schreiben, die in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienen ist.
Zheng Jane Wang, Professorin für Physik und Maschinenbau sowie Hauptautorin der Studie, hatte bereits vor rund zehn Jahren untersucht, wie sich neuronale Schaltkreise von Fruchtfliegen entwickelt haben, um ihre Flugstabilität zu verbessern. Wang und ihr Forschungsteam fanden damals mittels einer 3D-Computersimulation heraus, dass Fruchtfliegen bei jedem Flügelschlag, der etwa alle 4 ms stattfindet, ihre Körperposition im Raum erfassen und sich dadurch stabilisieren können.
Diese Erkenntnis lässt sich jedoch nicht auf alle Insekten übertragen. Entsprechend müsste eine Simulation entwickelt werden, die in der Lage ist, den Flug einer Vielzahl unterschiedlicher Insekten abzubilden. Auch andere wissenschaftliche Untersuchungen zum Thema beschränken sich lediglich auf Modelle einzelner realer Insekten. Das führe dazu, dass der Forschung alle anderen möglichen Flugkombinationen entgehen, erklärt Wang.
Berechnungen im „fünfdimensionalen morphologischen und kinematischen Raum“
Das Team der Cornell University hat deshalb einen anderen Ansatz bei ihren neuesten Untersuchungen gewählt. Die Wissenschaftler reduzierten das 3D-Modell so, dass die entscheidenden physikalischen Prinzipien der Körper-Flügel-Kopplung und der instationären Aerodynamik (zeitabhängige Luftströmungen, bei denen Druck und Kräfte nicht konstant sind) beibehalten werden. Aus dem neuen Modell ermittelten die Forscher Gleichungen, aus denen sie die entscheidenden physikalischen Parameter ableiten konnten: das Verhältnis von Flügel- zur Körpermasse, die Flächenbelastung, die Position des Flügelgelenks sowie die Flügelschlagfrequenz und die Amplitude der Flügelbewegung. Die Wissenschaftler bezeichnen dies als „fünfdimensionalen morphologischen und kinematischen Raum“.
„Die Stärke dieses Modells liegt darin, dass es uns deutlich präzisere Informationen liefert als bisher“, sagt Wang. „Wir kannten die grundlegenden physikalischen Prinzipien. Indem wir die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge im neuen Modell abbilden, können wir jedes Element konzeptionell verstehen und gleichzeitig Berechnungen durchführen, um einen großen Parameterraum zu erkunden.“
Die Analyse der Ergebnisse der Berechnungen im „fünfdimensionalen“ Raum ergaben zwei explizite Formeln, die Kriterien zu der oft vernachlässigten Kopplung zwischen Flügelträgheit und Körper hervorbrachten. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um das Zusammenspiel von Flügeschlagfrequenz, der Gelenkposition und dem Verhältnis von Flügel- zur Körpermasse. Spielt alles im richtigen Verhältnis zusammen, wird eine Art Antiresonanzzustand erreicht, der es dem Vogel oder dem Insekt ermöglicht, seine Körperschwingungen zu kontrollieren, um einen passiven stabilen Flug zu erreichen. Passiver stabiler Flug meint, einen Flug, der trotz auftretender Luftstörungen stabil ist, die den Vogel oder das Insekt normalerweise zum Trudeln bringen würden.
Die Wissenschaftler erkannten, dass viele unterschiedliche Formen des Flügelschlags eine passive Stabilität aufweisen können. Bisherige Untersuchungen hatten ergeben, dass die meisten Insekten passiv instabil sind und deshalb neuronale Schaltkreise zu ihrer Flugsteuerung benutzen.
Hilfe zur Konstruktion flügelschlagender Roboter
Die Forscher können mit der Kenntnis der Stabilitätsgrenze nun ein konkretes Konstruktionsprinzip für den stabilen Flügelschlag von Robotern ableiten.
„Prinzipiell eröffnet dies einen völlig neuen Weg für die Entwicklung eines Roboters mit Flügelschlag“, sagt Wang. „Anstatt uns auf eine umfangreiche Rückkopplungsregelung zu verlassen, die nur teilweise erfolgreich ist, legen unsere Ergebnisse nahe, dass wir Form und Frequenz der Flügelschlagorgane so anpassen können, dass die Fluggeräte gemäß diesen beiden Regeln bereits passiv stabil sind. Dies würde die Flugsteuerung erheblich vereinfachen.“
Das von den Forschern entwickelte Modell kann nun dazu verwendet werden, um einfachere Berechnungen zur Konstruktion von flügelschlagenden Robotern vorzunehmen. Zudem können damit Stabilitätsmerkmale modelliert werden, die es ermöglichen, die Evolution geflügelter Tiere und Insekten nachzuvollziehen und zu erforschen.
„Im Laufe der Evolution werden verschiedene Merkmale selektiert, doch wir wissen – abgesehen von wenigen Beispielen wie dem Auge – kaum etwas darüber, geschweige denn, warum sie selektiert werden und wie sie sich entwickeln“, sagt Wang. „Dieses Projekt liefert neue quantitative Methoden, um diese zentralen Fragen in Biologie und Robotik zu untersuchen. Die mathematische Modellierung erlaubt es uns, über unsere bisherigen Vorstellungen und Annahmen hinauszugehen und diese wichtigen Fragen zu beantworten.“
(olb)
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