Unterwasserroboter mit Flossenantrieb

Die Natur lehrt uns ein­drucksvoll, wie die opti­malen Antrieb­ssys­teme für bes­timmte Schwimm­be­we­gun­gen ausse­hen. Für den Bion­icFin­Wave, den Fes­to auf der Achema 2018 erst­mals präsen­tierte, hat sich das Bionik-Team von der undulieren­den Flossen­be­we­gung inspiri­eren lassen, die unter anderem vom freileben­den Meer­esstrudel­wurm oder dem Sepia genutzt wird. Mit dieser Antrieb­s­form manövri­ert sich der Unter­wasser­ro­bot­er selb­st­ständig durch ein Rohrsys­tem aus Acryl­glas. Das Pro­jekt gibt Impulse zur kün­fti­gen Arbeit mit autonomen Robot­ern in der Prozessindustrie.

Mit dem bion­is­chen Tech­nolo­gi­eträger set­zt das Unternehmen 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.

Schwimmen wie das natürliche Vorbild

Die Längs­flossen von Meer­esstrudel­wurm und Sepia ver­laufen von Kopf bis Schwanz, entwed­er am Rück­en, am Bauch oder an bei­den Seit­en des Kör­pers. Um sich fortzube­we­gen, erzeu­gen die Fis­che mit den Flossen eine durchgängige Welle, die sich ent­lang ihrer gesamten Länge voran­schiebt. Diese so genan­nte Undu­la­tion drückt das Wass­er nach hin­ten, wodurch ein Vor­wärtss­chub entste­ht. Mit diesem Prinzip manövri­ert sich auch der Bion­icFin­Wave vor­wärts oder rückwärts.

Damit kon­nte das Unternehmen einen Flossenantrieb tech­nisch umset­zen, der sich beson­ders für eine langsame und präzise Fort­be­we­gung eignet und Wass­er weniger aufwirbelt als beispiel­sweise ein kon­ven­tioneller Schraubenantrieb. Während er durch das Rohrsys­tem schwimmt, kann der autonome Unter­wasser­ro­bot­er über Funk mit der Außen­welt kom­mu­nizieren und Dat­en – wie die erfassten Sen­sor­w­erte für Tem­per­atur und Druck – an ein Tablet übertragen.

Flexible Silikonflossen aus einem Guss

Die bei­den Seit­en­flossen des 370 mm lan­gen Bion­icFin­Wave 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. Für die Bewe­gung sind die bei­den Flossen links und rechts jew­eils an neun kleinen Hebe­lar­men befes­tigt, die einen Auss­chlag­winkel von 45° haben. Sie 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. Dadurch kön­nen sie unter­schiedliche Wellen­muster gener­ieren. Um eine Kur­ven zu schwim­men, bewegt sich beispiel­sweise die äußere Flosse schneller als die innere – ver­gle­ich­bar mit den Ket­ten eines Baggers.

Nach oben oder unten schwimmt der Bion­icFin­Wave, indem er seinen Kör­p­er in die gewün­schte Rich­tung biegt. Damit die Kurbel­wellen entsprechend flex­i­bel sind, sitzt zwis­chen jedem Hebelseg­ment ein Kar­dan­ge­lenk. Die Kurbel­wellen wur­den inklu­sive der Gelenke und dem Pleuel aus Kun­st­stoff in einem Stück mit 3D-Druck-Ver­fahren gefertigt. 

Optimal ausgelegter Körper mit integrierter Bordelektronik

Auch die restlichen Kör­perele­mente des 430 g leicht­en Bion­icFin­Wave sind 3D-gedruckt, was ihre kom­plex­en Geome­trien erst ermöglicht. Mit ihren Hohlräu­men fungieren sie als Auftrieb­skör­p­er. Gle­ichzeit­ig ist hier auf eng­stem Raum die gesamte Steuerungs- und Regelung­stech­nik wasserdicht und sich­er ver­baut. Ein Druck­sen­sor sowie Ultra­schallsen­soren messen per­ma­nent die Abstände zu den Wän­den sowie die Tiefen­po­si­tion im Wass­er und ver­mei­den so Kol­li­sio­nen mit dem Rohrsys­tem. Voraus­set­zung für dieses autonome und sichere Navigieren war die Entwick­lung von kleinen, leis­tungs­fähi­gen sowie wasserdicht­en bzw. ‑unempfind­lichen Kom­po­nen­ten, die mit der entsprechen­den Soft­ware koor­diniert und geregelt wer­den können.