TEIL C

Elektro- und Solarschiffe (VI)

2012

Nach der sehr ausführlichen Dokumentation der Entwicklungen im Bereich der Elektro- und Solarboote seit den Anfängen im 18. Jahrhundert ist es müßig, nun alle neuen Designs und Entwürfe vorzustellen, die sich zudem häufig ähneln. In dieser und den folgenden Jahresübersichten werde ich mich daher auf besonders signifikante Ausführungen und wichtige Umsetzungen konzentrieren.

Im Januar 2012 tritt die Nichio Maru ihre Jungfernfahrt an, der erste Autotransporter von Nissan in Japan, der neben einer reibungsarme Rumpfbeschichtung mit insgesamt 281 Solarpaneelen an Bord ausgestattet ist. Die 50 kW PV-Anlage auf dem Schiffsdeck reicht aus, um die LED-Beleuchtung im Laderaum und in den Mannschaftsräumen zu versorgen.

Zur Erinnerung: Schon im September 2008 waren auf dem 200 m langen Autotransporter Auriga Leader der Toyota Motor Corp. 328 Solarpaneele mit einer Leistung von 40 kW installiert worden.

Bereits im Juni wird ein weiterer Autotransporter in Dienst gestellt. Die Emerald Ace der Mitsui O.S.K. Lines Inc. (MOL) ist mit 768 Solarpaneelen an Deck ausgestattet, weshalb das Schiff keinen Treibstoff zur Stromerzeugung benötigt, wenn es im Hafen liegt. Hierfür wird der auf hoher See von der ca. 160 kW PV-Anlage erzeugte Strom in Lithium-Ionen-Batterien mit rund 2,2 MWh an Bord gespeichert. Was an der Bordwand plakativ und ziemlich übertrieben als ,Solar Hybrid’ bezeichnet wird.

Die 200 m lange Emerald Ace wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts in Japan entwickelt, bei dem untersucht wird, inwieweit Solarzellen mit integrierten Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Speichersystem für elektrische Energie dienen können. Ein positiver Nebeneffekt: Die Lithium-Ionen-Akkus befinden sich im unteren Bereich des Schiffes und fungieren durch ihr Gewicht gleichzeitig als Ballast.

Im März 2012 berichtet die Presse, daß der kanadische Filmemacher und Tiefseeforscher James Cameron mit dem Spezial-U-Boot Deepsea Challenger in den kommenden Monaten eine Expedition zum Marianengraben im westlichen Pazifik vor Guam unternehmen, um im Challengertief, dem mit rund 11.000 m tiefsten Punkt der Weltmeere auf Tauchgang zu gehen und Proben, Videos und Daten von seltenen Meereslebewesen zurückzubringen.

Das von Cameron mit entworfene, ungewöhnliche Mini-U-Boot ist vertikal aufgebaut, 7,3 m hoch und 11,8 Tonnen schwer. Die mit Elektronik und Lebenserhaltungsgeräten ausgestattete Pilotenkugel mit einem Innendurchmesser von 109 cm befindet sich am unteren Ende und ist mit flexiblen Polyesterbändern am Rest des Fahrzeugs befestigt. Der beengte Sitz im Inneren ist umgeben von Bildschirmen, Geräten, Schalttafeln und Anzeigen. Zwei Flaschen mit komprimiertem Sauerstoff und ein Kohlendioxid-Wäscher können den Insassen bis zu 56 Stunden lang am Leben halten.

Das Manövrieren geschieht mit zwölf Schubdüsen und außerhalb des U-Boots werden vier speziell angefertigte HD-Kameras in robusten Gehäusen Bilder in hoher Qualität aufnehmen, die von der 2 m langen LED-Leuchttafel des U-Boots beleuchtet werden. Dieses ist außerdem mit zwei hydraulisch betriebenen Auslegern ausgestattet, die vom Inneren der Kugel aus gesteuert werden können. Der eine ist mit Scheinwerfern ausgestattet, der andere mit einer 3D-Kamera, die weitere Aufnahmen ermöglicht.

Die Energieversorgung erfolgt durch mit Lithium-Polymer-Batterien in ölgefüllten, druckkompensierten Gehäusen. Unter einer transparenten Abdeckung sind in den Seiten des Rumpfes bis zu 70 Blöcke mit je 1 kWh untergebracht. Die über einen Joystick und eine Tiefen- und Kursautomatik gesteuerten zwölf horizontal und vertikal angebrachten Antriebsmotoren auf beiden Seiten des Auftriebskörpers erlauben eine horizontale Geschwindigkeit von 3 Knoten und eine vertikale von 2,3 Knoten.

Cameron plant, drei bis sechs Stunden auf dem Meeresboden zu verweilen. Zur Erinnerung: Jacques Piccard und Don Walsh hatten mit dem Bathyscaphe Trieste des Projekts Nekton der U.S. Navy im Januar 1960 eine Tiefe von 10.910 m erreicht, konnten sich dort aber nur etwa 20 Minuten aufhalten. Die Vergleichsaufnahme zeigt den beträchtlichen Größenunterschied der beiden Tauchboote.

Bei einer Testfahrt in dieser Woche nahe Papua New Guinea taucht der Regisseur, der eng mit der National Geographic Society zusammenarbeitet, innerhalb von gut zweieinhalb Stunden 8.166 m tief, womit er einen neuen Rekord für den tiefsten Solo-Tauchgang aufstellt. Für den Rückweg nach oben benötigt Cameron etwa 70 Minuten. Den Tauchgang zum Grund des Challengertiefs absolviert Cameron dann Ende März, wobei er nach 2 h 37 min eine Tiefe von 10.898 m erreicht und etwa drei Stunden dort verbringt.

Insgesamt werden im Rahmen der Expedition 13 bemannte und unbemannte Tauchgänge durchgeführt, die in dem Dokumentarfilm Deepsea Challenge 3D dokumentiert sind. Anläßlich des einjährigen Jubiläums seiner Reise beschließt der Filmemacher, die Deepsea Challenger, deren Entwicklung und Bau sieben Jahre dauerte, an die gemeinnützige Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) zu übergeben, was im Juni 2013 geschieht. Später wird das Tauchboot an verschiedene Museen verliehen.

Ein erwähnenswertes Design bildet der im März 2012 vorgestellte GhostManta, ein speziell mit dem Ziel entwickeltes Tauchfahrzeug, die Unterwasserwelt und das Ökosystem in 3D zu dokumentieren, ohne die Meeresbewohner zu stören. Das Design ist ein Beispiel für Bio-Mimikry, bei dem die Designer versuchen, von der Evolution zu lernen - im vorliegende Fall vom Manta-Rochen, was auch die Namensgebung erklärt.

Das U-Boot wird von einem Elektromotor angetrieben und bietet genug Platz für zwei Forscher, um mühelos in die Tiefen des Meeres vorzudringen - und das schlanke Design sowie das Fehlen eines lauten Motors ermöglicht es Meeresbiologen und Fotografen, sich an Tiere heranzuschleichen, ohne sie zu verscheuchen. Eine robuste Glaskuppel, fünf 3D-Kameras, die 360°-Ansichten einfangen, leistungsstarke Scheinwerfer und der Wasserstrahlantrieb sorgen dafür, das Beste aus der Unterwasserwelt herauszuholen.

Das 7,5 m lange und 4 m breite Tauchfahrzeug der Designer Sebastian Campos Möller aus Mexiko und Caan Yaylali aus Savannah im US-Bundesstaat Georgia ist für Tauchtiefen bis 1.200 m geeignet. Technische Details zum Antrieb und den Akkus gibt es keine, es wird nur gesagt, daß dank der langen Batterielebensdauer Langzeitaufnahmen möglich sind.

Wissenschaftler der Virginia Tech um Prof. Shashank Priya und Yonas Tadesse veröffentlichen im März 2012 die im Netz einsehbare Studie ,Hydrogen-fuel-powered bell segments of biomimetic jellyfish’, die auf einen Meeresbewohner Bezug nimmt - sowie eine völlig neue Bewegungsmethode vorstellt. Die Forscher haben demnach einen etwa handgroßen Unterwasserroboter aus Silikon entwickelt, der sich fortbewegt, indem er die Bewegungen einer Qualle nachahmt.

Das Besondere ist, daß der Roboter durch wärmeerzeugende Reaktionen angetrieben wird, die von seiner Oberfläche katalysiert werden, und hierfür den im Wasser vorhandenen Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoff nutzt. Dadurch soll der Robojelly theoretisch unendlich lange schwimmen können, da er seine Energie aus dem Wasser bezieht, in welchem er sich bewegt.

Die exothermen Reaktionen, die von der platinbasierten Oberfläche katalysiert werden, erzeugen Wärme, die auf die künstlichen Muskeln des Roboters übertragen wird, wodurch diese aktiviert werden, ihre Form verändern und die Maschine durch das Wasser vorantreiben. In der Natur ziehen kreisförmige Muskeln die Glocke der Qualle zusammen, wodurch Wasser ausgestoßen und die Qualle vorwärts getrieben wird.

Die Aktoren des Schwimmroboters, die den Muskeln der Mondqualle (Aurelia aurita) nachempfunden sind, bestehen aus einer Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis, die mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen ummantelt ist, die ihrerseits mit einem katalytischen Platinpulver beschichtet sind. Das Nebenprodukt der Reaktion ist verdampftes Wasser, das keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat.

Der vom Office of Naval Research finanzierte und seit 2009 in Entwicklung befindliche Roboter soll den Weg für ein unbemanntes Überwachungs-U-Boot ebnen. Die nächste Phase der Forschung zielt darauf ab, die verschiedenen Segmente des Roboters einzeln mit Energie zu versorgen, um eine Richtungssteuerung zu ermöglichen.

Im März 2013 folgen Berichte, denen zufolge Ingenieurstudenten der Virginia Tech zwischenzeitlich an einem landesweiten 5 Mio. $-Projekt für die US-Marine arbeiten, um lebensechte, autonome Roboterquallen zu entwickeln. Die Partneruniversitäten in diesem Projekt sind das Providence College in Rhode Island, die University of California, Los Angeles, die University of Texas in Dallas und die Stanford University.

Ziel ist es, autonome Maschinen mit eigenem Antrieb in Gewässern zu plazieren, um die dortige Umwelt zu beobachten, aber auch für Zwecke wie die Untersuchung von Wasserlebewesen, die Kartierung des Meeresbodens und die Überwachung von Meeresströmungen.

Das aktuelle Modell namens Cyro mißt 170 cm im Durchmesser und wiegt etwa 77 kg. Das Design basiert der riesigen Feuerqualle (Cyanea capillata), die in den kalten Gewässern der Arktis, des nördlichen Atlantiks und des Pazifiks heimisch ist. Cryo besteht aus einem zentralen Kern von Komponenten in einer wasserdichten Hülle, die mit acht beweglichen Armen verbunden ist. Darüber liegt ein großes, weiches Stück weißes Silikon, das mit jedem der Arme in Kontakt kommt und flexibel bleibt. Zusammen bilden die Arme und das Silikon ein Antriebssystem, das die Fortbewegung echter Quallen nachahmt.

Wie sein Vorgänger befindet sich auch dieser Roboter noch im Prototypenstadium und ist Jahre vom Einsatz in Gewässern entfernt. Zwischen den kleineren und den größeren Robotern allerdings besteht ein großer Unterschied, denn der Cyro wird von einem Nickel-Metallhydrid-Akku angetrieben, während die kleineren Modelle gefesselt waren. Die Haut besteht aus einer dicken Silikonschicht über einem schalenförmigen Gerät, das die elektronischen Innereien des Roboters enthält.

In diesem Zusammenhang: Ein Team des California Institute of Technology und der Harvard University veröffentlicht im Juli 2012 die Studie ,A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion’, die allerdings nicht einsehbar ist. Darin geht es um die Konstruktion einer frei schwimmenden Qualle aus biosynthetischen Verbundmaterialien. Als Beweis für das Konzept der Medusoide wird eine Muskelpumpe aus chemisch dissoziiertem Rattengewebe und Silikonpolymer entworfen, die das strukturelle Design, die Schlagkinematik und die Wechselwirkungen zwischen Tier und Flüssigkeit quantitativ nachahmt.

Biomimetische Roboter in Form von Fischen und anderen Wasserlebewesen sind hingegen nicht neu. In den bisherigen Jahresübersichten wurden beispielsweise der Roboterfisch Charlie aufgeführt, den die CIA in den 1970er Jahren entwickelt hat, der 2009 vorgestellte Roboterfisch Shaol-1 der University of Essex, der Roboterfisch der Universität New York von 2010 oder der Wasserläufer- Mikroroboter des Harbin Institute of Technology im Juni 2011.

Der Vollständigkeit halber sollen hier als besonderer Schwerpunkt auch die weiteren Projekte aufgeführt werden, die sich mit elektrisch betriebenen Fischen und den entsprechenden Flossenantrieben beschäftigen - aber auch mit robotischen Nachahmungen anderer Wasserbewohner und deren Bewegungsmethoden.

Die Sowjetunion führte bereits in den späten 1950er Jahren bedeutende Forschungsarbeiten im Bereich der Hydrobionik durch, hauptsächlich am Leningrader Militärinstitut für Mechanik (Voenmehe). Ziel war es, die Effizienz von Tauchbooten, einschließlich bemannter Prototypen und torpedoähnlicher Geräte, zu verbessern, indem die Bewegungen und die Form von Meerestieren nachgeahmt werden.

Fotos und technische Informationen aus der Zeit des Kalten Krieges sind allerdings sehr rar. Hier abgebildet ist ein hydro-bionisches Versuchstorpedo mit Schwanzflossenantrieb, das als Waffe aber offenbar nie in Dienst gestellt wurde.

1969 wird unter der Leitung von Prof. E. P. Nosov ein zweisitziges U-Boot mit fischähnlichem Flossenantrieb anstelle eines Propellers entwickelt. Die Afalina-1 wird auf der Ausstellung der Errungenschaften der Volkswirtschaft (VDNKh) in Moskau 1970 mit einer Goldmedaille ausgezeichnet. Über weiterführende  Informationen würde ich mich freuen.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) konstruierten ab 1993 ihren ersten Roboterfisch namens RoboTuna, der sechs Motoren besaß und aus 2.843 Einzelteilen bestand. Ziel war es, ein Roboter-U-Boot zu bauen, das die Schwimmweise von Thunfischen nachahmt, und herauszufinden, ob dies ein besseres Antriebssystem für autonome Unterwasserfahrzeuge darstellen könnte.

Das Experiment ist ein Erfolg, denn der Fisch verbraucht weniger Energie als andere Roboter-U-Boote und erweist sich auch auch als manövrierfähiger. Ein Exemplar des 124 cm langen RoboTuna wird ab 2015 im Science Museum in London ausgestellt.

Zu dem Team, das an dem Projekt beteiligt war, gehörten Prof. Michael S. Triantafyllou, David Barrett - der den ersten Fisch namens Charlie I bis 1995 für seine Doktorarbeit baute - sowie David Beal und Michael Sachinis, die später mehrere Änderungen vornahmen, darunter ein Seilzugsystem, um den RoboTuna II herzustellen. Ein Bericht darüber von Triantafyllou et al. erscheint im März 2003 unter dem Titel ,Separation and Turbulence Control in Biomimetic Flows’.

In seiner Dissertation am MIT im Jahr 2007 stellt Pablo Valdivia y Alvarado dann einen alternativen Ansatz zur Implementierung biomimetischer fischähnlicher Schwimmtechniken vor, die die natürliche Dynamik nachgiebiger Körper nutzen (,Design of biomimetic compliant devices for locomotion in liquid environments’).

2009 zeigt Alvarado zusammen mit seinem Professor Kamal Youcef-Toumi die ersten Prototypen eines ganzen Schwarms von Roboterfischen, die etwa 12 cm lang sind. Spätere Versionen sind ca. 20 cm lang. Je nach Größe benötigen sie 2,5 - 5 W Strom.

Die neuen Modell werden von einem einzigen Motor angetrieben und bestehen aus weniger als zehn Einzelteilen, einschließlich eines nachgiebigen Körpers aus weichen Polymeren. Der Motor, der sich in der Mitte des Fisches befindet, löst eine Welle aus, die sich entlang des flexiblen Körpers vom Kopf zum Schwanz bewegt und den Roboterfisch vorwärts treibt - der allerdings noch ein Stromkabel hinter sich herzieht. Im Oktober 2016 erscheint das Buch ,Robot Fish: Bio-inspired Fishlike Underwater Robots’ von Youcef-Toumi, Alvarado u.a., das allerdings über 100 € kostet.

Um im Kontext zu bleiben: Bereits im Januar 2013 stellt ein anderes Team des MIT um die Professorin Daniela Rus und den Doktoranden Robert K. Katzschmann einen weichen Roboterfisch namens SoFi (Soft Fish) vor, der bereits erfolgreich getestet wurde und schon ein Jahr später 40 Minuten am Stück um Riffe in Fidschi schwimmt und dabei genau wie ein echter Fisch Strömungsänderungen bewältigt.

Die Rückseite des kleinen SoFi besteht aus Silikongummi und flexiblem Kunststoff, so daß er ein Riff nicht beschädigt, wenn er dagegen stößt. Diese Flexibilität und Weichheit ermöglicht es ihm auch, leichter zu schwimmen. Als Antrieb pumpt ein Motor Wasser in ballonartige Kammern im Schwanz des Roboters. Wenn sich eine Kammer ausdehnt, biegt sie sich zu einer Seite hin. Dann drücken Aktuatoren Wasser in die andere Kammer, die sich auf die andere Seite biegt. Dieses Hin und Her erzeugt eine Bewegung, die der eines echten Fisches sehr ähnlich ist. Flossen an der Seite helfen bei der Anpassung der Neigung, wenn der Fisch nach oben oder unten tauchen soll.

SoFi wird von einem Lithium-Polymer-Akku betrieben und kann dank eines Fischaugenobjektivs in seiner ,Nase’ filmen und hochauflösende Fotos machen. Zur Steuerung entwickeln die Forscher ein spezielles Ultraschall-Kommunikationssystem. Da SoFi bislang nur eine Tiefe von etwa 18 m erreichen kann, braucht er aber noch etwas Arbeit. Weitere Verbesserungen, die in Erwägung gezogen werden, sind ein Live-Video-Streaming.

Im März 2018 erscheint die im Netz einsehbare Studie ,Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish’ mit einer ausführlichen Darstellung der Entwicklung.

Eine gewisse Bekanntheit erlangt der Roboshark, ein 1,80 m großer Roboterhai, der 2003 von Andrew Sneath hergestellt wurde, da er die Hauptrolle in einem BBC Natural History Unit Wildlife Special mit dem Titel ,Smart Sharks: Swimming with Roboshark’ spielt, in welchem eine an dem Roboterhai befestigte Kamera verwendet wird, um einzigartige, sichere  Unterwassernahaufnahmen von Walhaien, Bullenhaien und Weißen Haien zu machen.

Der Körper des Roboshark besteht aus einer robusten Verbundstruktur, in der die Batterie, die Motoren und das Steuersystem untergebracht sind. Nach der Ausstrahlung des Films ,lebt’ Roboshark - ein ein Finalist bei den Royal Television Awards - sechs Monate lang im National Marine Aquarium in Großbritannien und wird später an das National Marine Aquarium in Plymouth ausgeliehen.

Sneaths 2001 gegründete Firma Hydrodome LLC in Florida bietet Robosharks mit einer Länge von 1,5 - 5 m für Poolpartys an - ebenso wie einen Fish-E genannten Roboter, der dem Blauflossen-Thunfisch nachempfunden ist; einen Robodolphin, den Kinder von 4 - 14 Jahren reiten können; sowie einen HydroBOB genannten ,Unterwasserscooter’ mit eingebauter Sauerstofflasche, der dem AquaStar in der Übersicht 2007 ähnelt. Nach 2012 scheint es die Firma aber nicht mehr zu geben und die Informationen sind nur noch auf web.archive.org zu finden.

Auf der Hannover Messe im April 2008 stellt die Festo AG & Co. KG mit dem AquaJelly eine selbststeuernde, autonome Qualle vor, die einen elektrischen, peristaltischen Rückstoß-Antrieb durch acht Tentakel mit ,Fin Ray Effect’ besitzt. Darüber hinaus besteht das künstliche Geschöpf aus einer transluzenten Halbkugel und einem zentralen Druckkörper. Die Halbkugel ist mit einer ringförmigen Steuerplatine mit integrierten Licht-, Druck- und Funksensoren ausgestattet wobei ein Prozessor permanent die Stellung des Antriebssystems überwacht. Außerdem befinden sich auf dieser Platine je acht weiße und acht blaue LEDs, die zusammen mit den Sensoren die Kommunikation zwischen mehreren Quallen ermöglichen. Das Resultat ist ein selbststeuerndes System mit ausgeprägtem kollektivem Verhalten.

Auf der Außenseite besitzt AquaJelly zwei konzentrische silberne Ringe, auf die eine leitende Metallfarbe aufgebracht wurde. Daran angeschlossen ist die Laderegelung, die die Energieversorgung sicherstellt. Kommt die Roboterqualle an die Ladestation, die oberhalb des Wasserbeckens angebracht ist, wird die angesaugt und mit Strom versorgt, was bei vollständiger Entladung ca. drei Stunden dauert.

Der wasserdichte Druckkörper enthält wiederum den zentralen elektrischen Antrieb, zwei 4.000 mA Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, die Laderegelung sowie die Servomotoren für die Taumelscheibe. Der elektrische Antrieb bewegt über zwei Kurbeln je einen Hubteller, der auf der Ober- und Unterseite des Druckkörpers angebracht ist. Diese Kurbeln sind um 60° versetzt zueinander angeordnet, während an die Hubteller acht Rautengelenke angeschlossen sind, die die acht Tentakel in eine wellenförmige Bewegung versetzen. Die Steuerung im dreidimensionalen Raum erfolgt durch Gewichtsverlagerung. Unter dem Titel AquaJellies 2.0 werden später mehrere der autonomen Systeme gezielt vernetzt, um gemeinsam größere Aufgaben zu lösen.

Auf der Hannover Messe 2009 demonstriert die Firma dann die AquaPenguins, die wie ihr biologisches Vorbild über eine energieeffiziente Strömungsform verfügen und mit Hilfe ihres Flügelantriebs auf engstem Raum durchs Wasser manövrieren, auf der Stelle wenden und – anders als ihr natürliches Pendant – sogar rückwärts schwimmen können.

Nochmals ein Jahr später, auf der Hannover Messe 2010 stellt die Festo AG mit dem AquaRay (o. Aqua_ray) einen ca. 10 kg schweren, ferngesteuerten wasserhydraulisch betriebenen Fisch mit Schlagflügelantrieb vor, der in Form und Kinematik dem Bewegungsmodell eines Mantarochens nachempfunden ist. Als Aktuatoren dienen die bionischen Fluidic Muscles von Festo, die im Wesentlichen aus einem hohlen Elastomerzylinder mit eingewobenen Aramidfasern bestehen. Wird die Kunstmuskel mit Luft oder Wasser befüllt, vergrößert sie sich im Durchmesser und zieht sich in der Länge zusammen. Dadurch wird eine fließend-elastische Bewegung ermöglicht.

Eine wasserbetriebene zentrale Flügelzellenpumpe erzeugt die erforderliche Energie, die in Form von Druck über Ventile an drei antagonistisch arbeitende Muskelpaare weitergegeben wird. Deren Zugkraft wird durch künstliche Sehnen über Rollen und Sehnenscheiden auf die Flügel und den Schwanz übertragen, welche den Kraftweg von 55 mm zu einem Flügelschlag von mehr als 550 mm nutzen. Der 61,5 cm lange und 96 cm breite Aqua_ray läßt sich hervorragend manövrieren und kann sowohl als hydrostatischer Gleiter als auch mit aktivem Flügelschlag betrieben werden.

Im Vorgriff auf die chronologische Darstellung: Im Jahr  2018 folgt mit dem BionicFinWave ein biomimetischer Unterwasserroboter, der das Schwimmen von Meeresstrudelwürmern und Nilhechten nachahmt und seine präzise Fortbewegung durch Einsätze in einem Rohrsystem demonstriert. Um sich zu bewegen, erzeugt der Fischroboter mit seinen Längsflossen eine durchgängige Welle, die sich entlang seiner gesamten Länge voran schiebt, wodurch ein Vorwärtsschub entsteht. Umgekehrt können die Tiere so auch rückwärts schwimmen und je nach Wellenmuster für Auftrieb, Abtrieb oder gar Seitenschub sorgen.

Im Test manövriert sich der autonome, 37 cm lange und 430 g schwere BionicFinWave mit dieser sogenannten undulierenden Flossenbewegung durch ein Rohrsystem aus Acrylglas. Dabei kommuniziert er über Funk mit der Außenwelt und überträgt Sensorwerte für Temperatur und Druck an ein Tablet.

Auch Forscher der Michigan State University um den Ingenieur Xiaobo Tan und die Ökologikprofessorin Elena G. Litchman arbeiten ab September 2009 an einem Roboterfisch zur Überwachung der aquatischen Umwelt. Das Projekt unter dem Namen AquaSwarm Robot Fish Project (Small Wireless Autonomous Robots for Monitoring of Aquatic Environments) wird von der National Science Foundation (NSF) mit über 400.000 $ gefördert, um die Technologie eines Antriebs mit künstlichen Flossen zu entwickeln, der die Fischbewegung imitiert.

Diese Flossen bestehen aus elektro-aktiven Polymeren, die beim Anlegen von Elektrizität ihre Form verändern. Ähnlich wie bei echtem Muskelgewebe drehen und beugen die Bewegungen der Ionen das Polymer, wenn Spannung angelegt wird. Die Forscher haben bereits einen ca. 23 cm langen Prototyp gebaut, der einem Gelbbarsch nachempfunden ist.

Der entwickelte gleitende Fischroboter wird für mehrere Anwendungen im Feld getestet. Bei einem Test wurde die Rohölkonzentration im Kalamazoo River, Michigan, gemessen. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz der autonomen Roboter im Wintergreen Lake, um die Verteilung von schädlichen Algenblüten zu erkennen und die Temperaturen in Wassersäulen zu messen.

Ebenfalls 2009 wird an der britischen University of Bath an einem Gymnobot gearbeitet, der einem Süßwasser-Knifefish aus Amazonien nachempfunden ist und dessen wellenartige Bewegung nachahmt.

Dabei wird die Vorwärtsbewegung durch eine Flosse erzielt, die entlang der Unterseite des starren Fischkörpers verläuft und im Wasser eine Welle verursacht, welche den Roboter dann vorwärts treibt. Entwickelt hat den mechanisch aufwendigen Gymnobot Keri Collins im Rahmen ihrer Doktorarbeit, finanziert wurde das Projekt von BMT Defence Services und dem Engineering & Physical Sciences Research Council.

Das Labor Universität erhält zudem einen Zuschuß für die Zusammenarbeit mit sechs anderen europäischen Einrichtungen, um einen ähnlichen Roboter zu entwickeln, der auf die Wasserströmung reagiert und gegen die Strömung schwimmen kann. Neben der Erforschung der Artenvielfalt in Küstennähe und in schnell fließenden Flüssen soll er auch zur Erkennung von Umweltverschmutzung oder zur Inspektion von Bauwerken wie Ölplattformen eingesetzt werden.

Im August 2010 veröffentlicht Prof. John H. Long vom Vassar College in Poughkeepsie, New York, den Bericht über einen künstlichen Zitterrochen, der ffizient, enorm manövrierfähig und bestens geeignet für heimliche Überwachungen ist - und damit die Leistungsvorgaben der US-Navy erfüllt, die das Projekt in der ersten Phase mit 70.000 $ gefördert hat (,An electric ray inspired Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle’).

Der 5 kg schwere RayBot hat alle Eigenschaften eines erfolgreichen Roboterfischs und ist so konzipiert, daß er selbständig an eine bestimmte Stelle eines Gewässers schwimmt, um dann auf den Grund zu gleiten – genau wie ein echter Rochen sinkt er, sobald er zu schwimmen aufhört. Dort setzt er sich auf dem sandigen Meeresboden fest, wo er bei sehr geringem Stromverbrauch über einen langen Zeitraum Daten sammeln kann.

Mit den entsprechenden Sensoren ausgerüstet, ist der RayBot beispielsweise in der Lage, Ölverschmutzungen aufzuspüren, Temperatur, Salzgehalt oder die Menge der Biomasse zu ermitteln, die Pflanzen in einem bestimmten Meeresgebiet produzieren oder auch die Bewegungen von auf dem Boden lebenden Meerestieren aufzuzeichnen. Dabei kann er dank seiner winzigen Ultraschallmotoren sehr leise operieren.

Der Robo-Rochen mit dem Silikonkörper - hier ist der experimentelle Prototyp RayBot 3.3 abgebildet - hat es bislang aber noch nicht in die freie Wildbahn geschafft, weil das Office of Naval Research für die zweite Phase keine Fördergelder mehr zur Verfügung gestellt hat.

Erfolgreicher ist hingegen ein anderer bionischer Roboter namens Madeleine, etwa so groß wie eine Meeresschildkröte, der etwa 2007 weiter zu Transphibian entwickelt wurde – einem unbemannten, autonom operierenden Unterwasserfahrzeug, das die Firma iRobot aus Bedford im US-Bundesstaat Massachusetts herstellt und vertreibt. Ein Prototyp des schwimmenden und gehenden Roboters war unter dem Namen TURTLE (Tele-operated Unmanned Robot for Telemetry and Legged Exploration) konstruiert worden.

Der von Longs Team konzipierte Vierflossenantrieb erlaubt es Transphibian, unter und über Wasser sicher in sechs Freiheitsgraden zu navigieren, wobei die Hightech-Maschine auf engstem Raum wendet und Hindernissen geschickt ausweicht. Zudem ist der Roboter fähig, unter Wasser schwimmend große Distanzen zurückzulegen. Allerdings besteht nur noch entfernte Ähnlichkeit mit einem Fisch.

Anderen Quellen zufolge wurde der Transphibian ursprünglich von der Nekton Research LCC in Durham, North Carolina, entwickelt, die im September 2008 von der iRobot übernommen wurde. Der Prototyp, der mit einem Joystick manövriert werden kann, hat die Aufgabe der Unterwasser-Bombendetektion: Er soll Minen zerstören, die Marines und Navy SEALs töten könnten, wenn sie an Land kommen.

Das ca. 60 cm lange Kamikaze-Fahrzeug, das eines Tages 7 kg Plastiksprengstoff tragen und sich vor der Zündung an eine Unterwasserbombe haften soll, war bereits 2003 im Hafen von Um Quasar im Irak getestet worden - allerdings nur zur Detektion, um den Weg für ein britisches Schiff frei zu machen. Die Transphibians brauchten etwa 16 Stunden, um fast eine Quadratmeile abzusuchen und den Tauchern dabei zu helfen, eine ungenannte Anzahl von Minen zu lokalisieren - wofür die Taucher ohne diese Technologie nach Angaben der Marine 21 Tage gebraucht hätten.

Die seit 2002 für den autonomen Staubsaugerroboter Roomba bekannte iRobot hat ab ihrer Gründung 1990 eine Vielzahl von Robotern entwickelt, darunter diverse fürs Militär und die Polizei - ebenso wie das autonome Unterwasserfahrzeug Seaglider, das für monatelange Einsätze über Tausende von Kilometern ausgelegt ist.

Der iRobot Seaglider, der nur entfernte Ähnlihkeit mit einem Fisch aufweist, wird beispielsweise bei der Ölkatastrophe im Golf von Mexiko wird im Mai 2010 eingesetzt. Der Tauchroboter war ursprünglich von der University of Washington in Seattle entwickelt worden - und Mitte 2008 hatte sich die iRobot das System lizenzieren lassen, um es für militärische Anwendungen zu adaptieren und auch anderweitig zu kommerzialisieren.

Im Zuge dessen führt der 52 kg schwere und speziell für tiefe Taucheinsätze bis 1.000 m konzipierte Seaglider im Laufe des Jahres 2009 im Pazifischen Ozean eine Rekordmission über einen Zeitraum von neun Monaten und fünf Tagen durch, bei der er Dank seines energiesparenden Antriebs 737 Tauchgänge durchführt und eine Strecke von mehr als 4.900 km zurücklegt. Das 1,8 m lange und 30 cm dicke Gerät besitzt 1 m breite Stummelflügel sowie eine 1 m lange Antenne, über welche die gewonnenen Daten verschickt werden.

Interessant ist das Bewegungsprinzip des schwimmenden Roboters, da er sich ohne Propeller fortbewegt. Um zu tauchen, wird ein Ballasttank geflutet, wobei der schwere Akku nach vorn geschoben wird, damit sich die Nase des Seagliders nach unten richtet. Mittels der Flügel gleitet er daraufhin in einem schrägen Winkel von 16° - 45° abwärts, anstatt nur gerade zu sinken. Nach dem Tauchgang wird der Akku wieder nach hinten verschoben, wodurch sich die Nase aufrichtet und der inzwischen leergepumpte Ballasttank für Auftrieb sorgt. Dadurch gleitet der Seaglider in einem Winkel wieder zur Oberfläche auf.

Mit seinen 10 V und 24 V Li-Io-Batteriepacks erreicht der Seaglider eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 25 cm/s und kann bis zu zehn Monate lange autonome Missionen durchführen. Die iRobot berichtet nun, daß sie bereits 120 Seaglider an die US Navy, verschiedene Behörden und Forscher verkauft habe.

Ein Team um Prof. Malcolm MacIver von der Northwestern University in Illinois berichtet im Januar 2011 über die Entwicklung eines Unterwasserroboters, der sich mit einer messerartigen Flosse fortbewegt. Der GhostBot genannte Kunstfisch ahmt den im Amazonasbecken beheimateten schwarzen Geistermesserfisch nach, der nicht nur seine Umgebung wahrnimmt, indem er ein schwaches elektrisches Feld erzeugt, sondern dank einer einzigen gewellten, bandartigen Flosse, die an seiner Unterseite entlangläuft, sich auch vorwärts oder rückwärts, nach oben oder unten bewegen kann.

Zusammen mit seinem Doktoranden Oscar Curet baut MacIver einen Roboter-Messerfisch, der allerdings auch nach drei Versuchen immer noch nicht genügend Freiheitsgrade in seiner Flosse hat. Mit Hilfe des Start-Ups Kinea Design, ein von der Northwestern-Fakultät gegründetes Unternehmen, das sich auf interaktive Mechatronik spezialisiert hat, gelingt es nach sieben Monaten und 200.000 $ eine vierte Version des GhostBot zu entwickeln, die in einem Wasserströmungstunnel an der Harvard University getestet wird - und nun einwandfrei funktioniert.

Die mit Lycra überzogene Flosse des Fischroboters enthält 32 künstliche Flossenstrahlen, von denen jeder von einem separaten Motor gesteuert wird, um eine fischähnliche Bewegung zu erzeugen. Und wie sein Gegenstück in der realen Welt ist auch der GhostBot mit einem elektrosensorischen System ausgestattet. MacIvers nächstes Ziel ist es, dieses System mit dem Ein-Flossen-Antriebssystem so zu koordinieren, daß der Roboter Objekte erkennen und sich dann an ihnen entlang bewegen kann.

Im April 2011 startet die von der EU mit 2,9 Mio. € finanzierte Forschung im Rahmen des Projekts CoCoRo (Collective Cognitive Robots) zu Unterwasserroboterschwärmen, das bis zum September 2014 läuft. Ziel ist die Entwicklung eines kollektiv agierenden Schwarms autonomer Unterwasserfahrzeuge, die mit bio-inspirierten Algorithmen koordiniert werden und untereinander kommunizieren. Beteiligt sind Wissenschaftler und Institute aus Österreich, Deutschland, Großbritannien, Belgien und Italien, Projektkoordinator ist Prof. Thomas Schmickl an der Karl-Franzens-Universität Graz, dessen Homepage sich eine ausführliche Beschreibung des Projekts findet.

Der CoCoRo-Roboter Lily z.B. basiert auf umgerüsteten schildkrötenförmigen U-Boot-Spielzeugen, und kleine blinkende blaue Lichter sind eines ihrer Kommunikationsmittel. Ein anderer Roboter, der schon mehr wie ein Fisch aussieht, wird Jeff genannt. Die Ergebnisse der Versuche, darunter auch mit dem bislang weltweit größten autonomen Unterwasserschwarm aus 41 Robotern drei verschiedener Typen, sowie der Feldversuche im Hafen von Livorno, Italien, werden 2015 in 55 Videos veröffentlicht (,The Year of CoCoRo’).

Über einen weiteren Roboter-Rochen wird im Juli 2012 berichtet. Diesmal geht es eine Entwicklung an der University of Virginia (UVA), an der ein Team unter der Leitung der Professorin Hilary Bart-Smith arbeitet. Mit beteiligt sind Kollegen der Princeton University, der University of California, Los Angeles (UCLA) sowie der West Chester University in Pennsylvania.

Der Mantabot, der tatsächlich aus dem Körper eines Rochens geformt wurde, ist dem Kuhnasenrochen nachempfunden, der zur Familie der Fledermausrochen gehört. Andere Mitglieder dieser Familie sind der Mantarochen und der Stachelrochen, die alle mit einer fliegenden Bewegung schwimmen - als hocheffiziente Form eines Unterwasserantriebs.

In seiner jetzigen Form ist der Roboterrochen gefesselt und wird von einem menschlichen Bediener über Computerbefehle ferngesteuert. Er hat einen wasserdichten Kunststoffkörper, der seine elektronischen Komponenten und Batterien enthält, während seine Flügel aus flexiblem Silikon bestehen. Die Form und Ausrichtung dieser Flügel wird durch das Ausdehnen und Zusammenziehen von Stäben und Kabeln in ihnen verändert, so daß der Roboter beschleunigen, gleiten, sich drehen oder seine Position halten kann, genau wie sein echtes Pendant.

Im August folgt mit dem Mola des US-Technologie-Unternehmens AeroVironment Inc. mit Sitz in Virginia, das speziell im  Bereich der unbemannten Luftfahrzeuge sowie der Elektromobilität tätig ist, ein besonders eigener und interessanter Nachbau eines Fisches - wenn auch nicht von der Form her. Vorbild ist der gleichnamige, flache und etwas bizarr aussehende Mola mola (Ranzania laevis), der auch als Ozean-Sonnenfisch bekannt ist und die Angewohnheit hat, an die Oberfläche zu kommen und sich auf die Seite zu rollen, um sich in der Sonne zu sonnen.

Auch der Mola-Roboter, der gegenwärtig nur einen Konzeptnachweis darstellt, steigt an die Oberfläche, um Sonnenstrahlen einzufangen - in seinem Fall jedoch, um die integrierten Solarzellen zu nutzen. Da er über keine Batterien verfügt, fließt die von den PV-Zellen gesammelte Energie direkt in die Stromversorgung der zwei seitlich angebrachten Flossen. Um die Energiemenge zu erhöhen, kann zudem ein flexibler Schwanz mit verknüpften Solarzellen verwendet werden. Die gewonnene Energie wird auch von einem Datenlogger an Bord genutzt, der die lokalen physikalischen, chemischen und biologischen Wasserbedingungen aufzeichnet.

Der Konzeptroboter hat eine Reisegeschwindigkeit von ca. 4 km/h und soll unter der Wasseroberfläche schwimmen, wenn er nicht gerade Sonnenergie aufnimmt. Wie er das ohne Batterie macht, ist nicht ganz klar, obwohl verschiedene Solarzellenarten auch Strom erzeugen, wenn sie unter Wasser angebracht sind. Ob dies genug ist, um den Mola am Schwimmen zu halten, ist allerdings fraglich. Übrigens erreichen die natürlichen Vorbilder eine Länge von bis zu 3,30 m und eine Masse von 2,3 Tonnen. Über eine Weiterentwicklung des eigentlich hochinteressanten Nachbaus ist später nichts zu finden.

Im September 2012 folgen Berichte über den batteriebetriebenen und per Laptop fernsteuerbaren Roboterfisch BIOswimmer, der mit verschiedenen Arten von Nutzlasten ausgestattet werden kann, in der Regel Sensoren. Der BIOSwimmer, der von Boston Engineering Corp. in Waltham, Massachusetts, gebaut und vom Department of Homeland Security (DHS) finanziert wurde, ist ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, das in einem biomimetischen Verfahren einem Thunfisch nachempfunden wurde.

Der BIOSwimmer verfügt über einen batteriebetriebenen Bordcomputer, der für Navigation, Sensorverarbeitung und Kommunikation eingesetzt wird, während die Außenhülle ein flexibles Heckteil aufweist. Angemessen plazierte Brust- und andere Flossen verleihen ihm eine hohe Manövrierfähigkeit, und die Einheit wird von einem Bediener mit Laptop ferngesteuert. Der Roboter verfügt außerdem über austauschbare Sensoren, die es ermöglichen, ihn für jeden Einsatz individuell zu konfigurieren.

Sein Hauptzweck im Verteidigungsbereich ist die Inspektion von Objekten in schwierigen Situationen: Er soll feststellen, ob Pumpen in öligem Wasser funktionieren, Häfen und Piers auf Bomben untersuchen, überflutete Schiffe erkunden und andere Sicherheitsaufgaben erfüllen. In einem Video ist zu sehen, wie agil sich das Gerät durchs Wasser bewegt.

Im Oktober 2012 berichten Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich), daß sie festgestellt haben, daß einige der natürlichen Eigenschaften der Meeresschildkröte einen ziemlich guten Roboter ergeben. Bei dem naro - tartaruga, der sich seit 2010 in der Entwicklung befindet, handelt sich um eine Forschungsplattform, die das Konzept des Flossenantriebs testet.

An der ETH Zürich hatte der Maschinenbau-Student und spätere Projektleiter Cédric Siegenthalers bereits 2009 einen rund 12 kg schweren und 95 cm langen Roboter-Thunfisch namens naro (nautical robot) entwickelt, der im Zürichsee ,ausgesetzt’ werden sollte. Zuvor mußte er allerdings eine Ultraschallsteuerung bekommen, damit die 30 m langen Steuerungskabel entfallen können, die ihn in seiner Bewegungsfreiheit noch beträchtlich behindern. Mit seinem Schwanzflossen-Antriebssystem als einziges bewegliches Teil kann er mit 1 - 2 m/s schwimmen.

Der neue naro - tartaruga ist mit einer geschätzten Höchstgeschwindigkeit von 2 m/s ebenfalls recht schnell und zudem ausgesprochen wendig, da sich die beiden vorderen Flossen unabhängig voneinander bewegen können. Dabei wird jede Flosse von drei 200 W Aktuatoren gesteuert, was zusammen mit zwei hinteren 15 W Aktuatoren eine Bewegung in drei Dimensionen und ein erstaunlich lebensecht wirkendes Schwimmen ermöglicht. Die Schlagfrequenz beträgt 2 Hz.

Das andere natürliche Merkmal der Schildkröten, das genutzt wird, ist ihr großer gewölbter Panzer, der bei dem Roboter mit Aluminiumrumpf zur Unterbringung einer Vielzahl von Sensoren und anderer Elektronik verwendet wird. Dazu gehören neben Druck-, Temperatur-, Wasserleckage- und Wasserdurchflußsensoren sowie Kreisel, Oberflächen-GPS und Kompaß ein i7-Dual-Core-Prozessor, ein 32 Ah Lithium-Polymer-Akkupack sowie ein BlueFox-Computer-Vision-System. Alles zusammen soll ein Gewicht von etwa 75 kg erreichen und in einen Körper von etwa 1 m Länge passen.

Obwohl es möglich ist, den aktuellen Prototyp per Fernsteuerung zu bedienen, wird der naro - tartaruga in erster Linie als Übung für die autonome Unterwassernavigation entwickelt. Im November macht der naro - tartaruga seinen ersten Tauchgang, allerdings noch ohne eine richtige Hülle, die seine interne Elektronik schützt und seine Form stromlinienförmig macht.

In Zukunft soll der Roboter als Forschungsobjekt für die autonome Unterwassernavigation dienen und mit austauschbaren Köpfen mit verschiedenen Sensoren ausgestattet werden, wobei er eine Tauchtiefe von 100 m erreichen soll. Dank seiner flossenbasierten Fortbewegung, die weniger Lärm verursacht als der Einsatz von Propellern, und seines natürlichen Aussehens ist er ideal für die Untersuchung von Unterwasser-Ökosystemen wie Korallenriffen.

Berichten im Juni 2013 zufolge wurden derweil als jüngste Roboterfische im Rahmen des naro-Projekts eine neue Art relativ kostengünstiger als auch hochgradig anpaßbarer biologisch inspirierter Unterwasserroboter entwickelt, die Schülerinnen und Schülern im Alter von 10 - 18 Jahren Technik und Biologie näherbringen sollen. Dank der finanziellen Unterstützung der Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) dauerte es nur vier Monate, um die von Stefan Bertschi aufgebrachte Idee in einen Bausatz-Prototypen umzusetzen.

Der Körper des naro-nanin besteht aus einem eloxierten Aluminiumrahmen, der ein Polycarbonatrohr umgibt. Im Inneren befindet sich eine Plexiglasstruktur mit einem Raspberry Pi, einem Li-Po-Akku, der etwa zwei Stunden lang hält, und einer Pumpe, die eine Tauchflasche füllt. Das ganze Paket wiegt 7 kg und ist 50 cm lang. Der Bausatz wird mit einem Satz Flossen geliefert, aber die Schüler können auch ihre eigenen Flossen anfertigen. Durch Ändern der Größe und Form der Flossen und deren Plazierung an einer beliebigen Stelle des Roboterkörpers können so verschiedene ,Arten’ erstellt werden.

Die Flossen sind mit vier aufsteckbaren Aktuatormodulen verbunden, die zwei Standard-Hitec-Servomotoren für Flügelschlag und Flossenrotation enthalten. Die Schüler können damit experimentieren und herausfinden, wie sich Größe, Form und Plazierung der Flossen auf die Geschwindigkeit und Steuerung des Roboters auswirken. Derzeit wird der Roboter mit einem Bluetooth-Gamepad ferngesteuert, aber es ist auch schon ein Kameramodul in Arbeit, mit dem man den Roboter aus einer FPV-Perspektive navigieren kann. Der naro-nanin-Roboter soll letztlich 2.000 - 2.500 $ kosten, je nachdem, was in den endgültigen Spezifikationen enthalten ist.

Eine andere Gruppe von Maschinenbaustudenten der ETH Zürich befaßt sich mit der Entwicklung eines Tintenfisch-Roboters. Der im Mai 2014 erstmals der Öffentlichkeit vorgestellte Sepios entspricht den Tieren, die sich mit einem Paar wellenförmiger Flossen vorwärts und rückwärts bewegen, sich auf der Stelle drehen oder an Ort und Stelle schweben.

Allerdings fügt das Team einen zusätzlichen Satz Flossen hinzu, mit denen sich der Unterwasserroboter auch gerade nach oben und unten bewegen kann. Jede der nun vier Flossen enthält neun Strahlen, von denen jeder einen Bewegungsbereich von 270° hat und durch einen eigenen Servomotor aktiviert wird. Diese Flossen sind mit einem zentralen Körper verbunden, der eine mechanische Schwimmblase enthält, die es dem Roboter ermöglicht, eine bestimmte Tiefe zu halten, indem er seinen Auftrieb anpaßt.

Zu den weiteren Bestandteilen dieses Körpers gehören eine Videokamera für Live-Streaming, ein Wasserdruck-/Tiefensensor, ein Laser-Entfernungsmesser, ein Beschleunigungsmesser sowie ein Gyroskop und ein Magnetometer, die für die Lageregelung verwendet werden. Der gesamte Roboter besteht aus 4.700 Einzelteilen, ist 70 cm lang, hat eine Flossenspannweite von 95 cm und wiegt 22,7 kg. Mit einer Ladung seines 20.000 mAh Akkus kann Sepios 90 Minuten lang arbeiten und dabei bis zu 10 m tief hinabtauchen. Weitere Details lassen sich der Projekthomepage sepios.org entnehmen.

Im Zuge der Recherchen ist zu erfahren, daß auch Stephen Licht, ein Student des o.e. MIT-Prof. Triantafyllou jahrelang an der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) an einer robotischen Schildkröte namens Finnegan gearbeitet hat, bevor er sein Studium im Juni 2008 mit einem Doktortitel in Ozeanographie und Maschinenbau abschloß.

Der etwa 227 kg schwere und bis zu 2,4 m/s schnelle Schildkröten-Roboter besitzt vier Flossen als Antrieb, die sich im Wasser rollen und verdrehen. Dadurch erreicht er eine hohe Wendigkeit, kann schnell die Richtungen ändern, enge Kurven, Rückwärtsbewegungen und Loopings ausführen und ist ideal für unruhige und komplexe Umgebungen wie Korallenriffe oder Küstennähe, wo Wendigkeit und Präzision entscheidend sind. Finnegan gilt als das erste System, das vollständige Schildkrötenbewegungen nachahmt, wurde danach aber nicht weitergeführt.

Wissenschaftler der Stanford University melden im Mai 2013, daß sie einen kleinen, von einem fliegenden Fisch inspirierten Roboter entwickelt haben, der sich weiter durch die Luft bewegen kann als ein vergleichbarer Sprungroboter, da das Gleiten die energieeffizienteste Art der Fortbewegung ist. Das Fluggerät - das hier nur peripher aufgeführt wird - kann außerdem seinen Abschußwinkel je nach Untergrund anpassen, um sich anmutig zu bewegen und zu landen, ohne dabei an Weite einzubüßen.

Um den Luftwiderstand zu verringern, sind die Flügel schwenkbar gestaltet, so daß sie sich der Flugrichtung anpassen können. Sobald der Roboter nach dem Start seine maximale Höhe erreicht, werden die Flügel mit Hilfe von Magneten am Körper fixiert. Beim Abstieg rasten sie dann wieder ein, um weiter zu gleiten. Der Rahmen ist aus Balsaholz und einem Schaumflügel aus Kohlefaser hergestellt, um das Gewicht zu reduzieren.

Das Team experimentiert mit der Fluggeschwindigkeit, um die effizienteste Flügelform und -länge zu finden, ebenso wie den optimalen Startwinkel. Dabei stellt sich heraus, daß die besten Starts bei 58° und 45° gelingen. Der Flügel des 30 g schweren und noch recht rudimentär wirkenden Prototyps hat eine Spannweite von 70 cm. Derzeit ist der Gleiter noch nicht völlig autonom, und seine Feder muß manuell gespannt werden. Ebenso ist der Prototyp noch nicht mit Solartechnik ausgestattet.

Auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) im Mai 2013 in Karlsruhe präsentiert ein Team der griechischen Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) um Dimitris P. Tsakiris, dem auch Michael Sfakiotakis von der Hellenic Mediterranean University, Asimina Kazakidi von der University of Strathclyde sowie Nikolaos Pateromichelakis von der McGill University angehören, eine Studie mit dem Titel ,Octopus-inspired Eight-arm Robotic Swimming by Sculling Movements’, in der untersucht wird, welche Bewegungsabläufe am effektivsten sind, um einen Roboterkraken durch das Wasser zu treiben.

Die Roboterforscher experimentieren dabei mit einigen Schwimmtechniken, wie sie echte Kraken nie zeigen, denn die einzige Gangart, die Kraken tatsächlich benutzen, ist der Rudergang, bei dem sich alle acht Arme synchron bewegen. Allerdings erzeugen einige der künstlichen Gänge viel sanftere Bewegungen, was für von Kraken inspirierte Roboter sinnvoller sein könnte.

Auf der IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) im September 2014 in Chicago folgt dann eine Arbeit mit dem Titel ,Multi-arm Robotic Swimming With Octopus-Inspired Compliant Web’, in welcher über einen Schwimmroboter berichtet wird, der im Rahmen des europäische Forschungsprojekts Octopus entwickelt wurde.

Durch die Hinzufügung eines weichen und geschmeidigen Silikonnetzes, das dem Netz zwischen den Tentakeln der biologischen Version des Krake entspricht, ließ sich die Geschwindigkeit des Robooctopus fast verdoppeln. Außerdem bringen die Wissenschaftler dem Kraken auch bei, zu kriechen, Gegenstände zu tragen und frei und völlig selbständig in der Ägäis zu schwimmen.

Im Juni folgen Meldungen über ein Forscherteam der National University of Singapore (NUS) um Prof. Xu Jianxin, das einen Roboterfisch entwickelt hat, der die Bewegungen eines Karpfens nachahmt, obwohl er bislang eher wie eine unzusammenhängende Rakete aussieht. Das autonome Unterwasserfahrzeug kann so programmiert werden kann, daß es bestimmte Funktionen ausführt, z.B. für die Unterwasserarchäologie, für militärische Aktivitäten, für die Erkennung von Pipeline-Lecks oder die Verlegung von Kommunikationskabeln.

Dem Team zufolge war es eine große Herausforderung, die Fortbewegung eines echten Karpfens auf den Roboter zu übertragen, da Fische viele verschiedene Muskeln benutzen, um sich fortzubewegen. Damit sich der Roboter auf die gleiche Weise bewegen kann, waren daher viele Aktuatoren erforderlich. Eine weitere Herausforderung bildete die Wasserdichtigkeit des Fischkörpers, des Motors und des Steuergehäuses.

Bei den flexiblen Flossen und Schwänzen entscheidet sich das Team für 1 mm dünne Acrylplatten, während der Auftrieb und das Gleichgewicht des Roboters durch beidseitig angebrachte Kunststoffschäume aufrechterhalten wird. Für den Tauchmechanismus ist der Roboterfisch mit einem internen Ballastsystem ausgestattet, um die Dichte zu verändern.

Bislang wurden zwei Fischroboter gebaut: Der größere Prototyp ist etwa 1,5 m lang, wiegt rund 10 kg und kann bis zu einer Tiefe von 1,8 m tauchen. Der kleinere ist hingegen etwa 60 cm lang und wiegt 1,5 kg. Er wurde für Untersuchungen zur 2D-Bewegungssteuerung und Bewegungsplanung auf kleinstem Raum entwickelt und kann nur an der Wasseroberfläche schwimmen. In Zukunft soll der Roboterfisch noch kleiner und realistischer gestaltet und mit Sensoren, GPS und einer Videokamera ausgestattet werden.

Im Dezember 2014 stellt auch die NUS einen Schildkrötenroboter vor, der allerdings die Besonderheit hat, daß er seine Batterien auf See selbst aufladen kann. Außerdem ist nicht nur wendig, sondern auch in der Lage, seine Aufgaben zielstrebig zu erfüllen und dabei auf Anforderungen und Hindernisse selbständig zu reagieren. In naher Zukunft wäre es damit möglich, einen Schwarm autonomer winziger Roboter-Meeresschildkröten und -fische zu produzieren, die beispielsweise gefährliche Missionen wie das Aufspüren von Atommüll unter Wasser übernehmen könnten.

Der Roboter des Teams um Prof. S. K. Panda verwendet kein Ballastsystem für Tauch- oder Sinkfunktionen, so daß er viel kleiner und leichter ist und eine größere Nutzlast tragen kann. Die Fähigkeit, dynamisch zu tauchen oder vertikal zu sinken erlaubt ihm, auf dem Meeresboden auch in Tunnel oder Rohre mit sehr kleinem Durchmesser einzudringen. Wie eine echte Schildkröte schwimmt sie und vollführt mit Hilfe gezielter Paddelbewegungen ihrer Vorder- und Hinterflossen scharfe, schnelle Kurven.

Um die Dauer seiner Einsätze nicht auf eine Batterieladung zu beschränken, kann der Roboter die Batterie aufladen, indem er auftaucht und die integrierten Solarzellen nutzt. Den Forschern zufolge könnte er auch in der Lage sein, Strom zum Aufladen der Batterien zu erzeugen, indem er sich an einer Stelle des Meeresbodens niederläßt und dann die Kraft der Unterwasserströmungen ausnutzt.

Ein solches System wird bereits von einem kugelförmigen Roboter verwendet, der zuvor von dem Team entwickelt wurde und in seiner Struktur einem Kugelfisch ähnelt, aber eine Düsenantriebstechnik wie Quallen und Tintenfischen verwendet. Dieser Roboter kann in einen Schlafmodus versetzt werden, in dem nur die Überwachungssensoren aktiv sind, während eine Reihe von eingebauten Rotorblättern, die an einen Generator angeschlossen sind, Energie aus der Unterwasserströmung gewinnen.

Abhra Roy Chowdhury zufolge, der in den letzten drei Jahren im Rahmen seiner Doktorarbeit an der NUS Unterwasserroboter entwickelt hat, habe das Team noch drei weitere Roboterfische mit unterschiedlicher Morphologie entworfen. Hierzu wurden speziell der Gelbflossenthun und der Süßwasser-Maulbarsch untersucht, die als effiziente Schwimmer gelten. Für die nahe Zukunft ist die Entwicklung von Roboterfischen mit speziellen Aktuatoren als Muskeln geplant, die sich wie bei echten Fischen wellenförmig bewegen können.

Auf der 9. IFAC Conference on Control Applications in Marine Systems im September 2013 in Osaka legen Masahiko Mizui, Ikuo Yamamoto und Taishi Oka von der Kyushu Kyouritu University, der University of Kitakyushu und der Nagasaki University in Japan eine Arbeit vor, die hier unbedingt erwähnt werden soll, obwohl sie nichts mit Wasser zu tun hat. Die als pdf im Netz einsehbare Studie trägt den Titel ,Launch of Robotic Fish to the Space: Development of Autonomous Cleaning Robot in the International Space Station’ und beschreibt die Entwicklung eines autonomen Roboters zur Staubentfernung in der Internationalen Raumstation ISS.

Das Interessante ist nämlich, daß für den Reinigungsroboter im japanischen Experimentmodul KIBO, der die Aufgabe hat, den Staub aufzusammeln, der von der ISS-Klimaanlage nicht zurückgewonnen werden kann, eine Fischform mit elastischen Oszillationsflossen gewählt wird, um eine hohe Kontrollierbarkeit und ein ,weiches’ Verhalten zu erreichen. Der teilweise 3D-gedruckte Reinigungsroboter hat eine autonome Flugsteuerung und Navigation und weicht aus, wenn er die Astronauten, Wände und Hindernisse erkennt. Danach wird die Reinigungsarbeit in der Kabine sicher fortgesetzt. Die weiteren Details sind der o.g. Studie zu entnehmen.

Ein weiterer Unterwasser-Roboter, der einer Schildkröte nachempfunden ist, wird im November 2013 in der Ausstellung Robot Safari im Londoner Wissenschaftsmuseum vorgestellt. Der kostengünstige Roboter namens U-CAT ist eine Kreation des Designers Taavi Salumäe von der Technischen Universität Tallinn in Estland und ist Teil des von der EU finanzierten Forschungsprojekts ARROWS, dessen Ziel es ist, innovative neue archäologische Robotersysteme für die Weltmeere zu entwickeln. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Technologien sollen in 3 - 5 Jahren im Mittelmeer und in der Ostsee erprobt werden.

Der U-CAT nutzt vier unabhängig voneinander angetriebene Flossen, um zu schwimmen, sich zu drehen und zu schweben. Er ist mit einer Kamera ausgestattet, die es den Forschern ermöglicht, Unterwasserstandorte auf der Grundlage von Videomaterial zu rekonstruieren. Da der Roboter keinen Propeller verwendet, kann er sich bewegen, ohne das Wasser um ihn herum zu stören oder Schlick aufzuwirbeln. Dank dieser besseren Sicht und seiner geringen Größe eignet er sich perfekt für die Erkundung von Orten, die für bestehende Unterwasserroboter zu klein sind, um in sie einzudringen.

Um 2013/2014 wird als Teil eines Rapid-Prototyping-Projekts im Rahmen des Programms Silent NEMO der US-Marine ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug entwickelt, das den Namen GhostSwimmer erhält. Seine Bio-Mimikry soll zusätzliche Sicherheit bei ISR-Einsätzen (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance) mit geringer Sichtweite und bei der Inspektion von Schiffsrümpfen bieten und gleichzeitig leiser sein als propellergetriebene Fahrzeuge. Hersteller ist wiederum die Boston Engineering.

Nach erfolgreichen Tests mit der rund 1,5 m langen und 45 kg schweren Hai-ähnlichen Drohne werden 2014 diverse Video veröffentlicht. Dank leistungsfähiger Batterien kann die Drohne autonom unterwegs sein, läßt sich aber auch über eine rund 150 m lange Kabelverbindung an ein Laptop andocken und steuern. Dabei soll sie sowohl in flachem Wasser operieren können als auch Tauchtiefen bis zu rund 90 m meistern.

Bei den Tests sammelt der GhostSwimmer vor allem Informationen über Gezeiten, Strömungen und Wetterbedingungen. Über weitere Schritte bei der Entwicklung oder über etwaige Einsätze wird die Öffentlichkeit aber nicht mehr informiert.

Im Mai 2015 wird berichtet, daß die NASA 15 Projekte fördert, die neue Roboter für die Raumfahrt entwickeln. Dazu gehört auch ein Modell, das dem schlangenartigen Aal nachempfunden ist und in Zukunft amphibisch den vermutlich aus flüssigem Wasser bestehenden Ozean unter der kilometerdicken Eisschicht des Jupiter-Mondes Europa erkunden soll.

Der Roboteraal ist als Soft-Robot konzipiert und soll eine besondere Methode zur Energiegewinnung nutzen, da sein Einsatzort zu weit von der Sonne entfernt ist, als daß Solarzellen sinnvoll wären. Statt dessen hat der Roboter eine Antenne auf dem Rücken, mit deren Hilfe er elektrische Energie aus lokalen Änderungen des Magnetfeldes gewinnt. Die Entwicklung und Funktion des Amphibienroboters wird ausführlich im Kapitel Micro Energy Harvesting unter Magnetfeld dargestellt (s.d.).

Ein großes Wissenschaftlerteam der University of California, San Diego, der Michigan State University und der Université de Montpellier legt im Juni 2015 eine Studie mit dem Titel ,3D-Printed Artificial Microfish’ vor, die kaum sichtbare Mikro-Roboterfische betrifft, die nur 120 µm lang und 30 µm breit sind - und damit kleiner als ein menschliches Haar. Die komplexen Mikro-Schwimmer aus dem 3D-Drucker sollen aber trotzdem viel Arbeit leisten, indem sie Giftstoffe aus dem Wasser filtern.

Um vorwärts zu kommen haben die Mikro-Schwimmer einen chemischen Antrieb: Ihre Flossen werden mit Aluminiumpartikeln versetzt, die mit Wasserstoffperoxid in Flüssigkeiten reagieren und sich dadurch in Bewegung setzen. Für die Steuerung werden in den Köpfen magnetische Eisenoxid-Nanopartikel installiert, so daß die Fische ihr Ziel mit Hilfe von Magneten ansteuern können.

Für die Herstellung der Roboter-Fische, die auch unterschiedliche Designs haben können, hat das Team um den Nanoingenieur Shaochen Chen eine schnelle und hochauflösende 3D-Druck-Technik entwickelt, die sich Microscale Continuous Optical Printing (µCOP) nennt. Damit können innerhalb von Sekunden Hunderte von Fischen gedruckt werden. Die Forscher verwenden hierbei lichtempfindliches Material, das Schicht für Schicht aufgebaut wird und dann durch UV-Licht aushärtet, wobei das Druckmaterial mit giftneutralisierenden Nanopartikeln gespickt wird.

Als die Roboter-Fische in eine verseuchte Flüssigkeit gelegt werde, fangen sie während des Entgiftungsprozesses an rot zu leuchten. Man könnte sie daher auch zum Aufspüren von Toxinen einsetzen, sogar innerhalb des menschlichen Körpers, wo die möglicherweise  Dienste als chirurgische Roboter leisten könnten. Bis die Mikro-Objekte reif sind für die Praxis, wird es den Forschern zufolge aber noch dauern.

Im April 2016 berichtet die Presse über einen Roboter-Aal, der im Zuge einer Zusammenarbeit zwischen der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU), dem im Vorjahr gegründeten NTNU-Spin-Off Eelume, der Firma Kongsberg Maritime und dem Öl- und Gaskonzern Statoil entwickelt wurde, um in Zukunft Unterwasserkabel inspizieren und andere unter der Wasseroberfläche anfallende Arbeiten zu übernehmen.

Nun unterzeichnen die Partner eine Vereinbarung, um die neue Technologie, die die Kosten für Unterwasserinspektion, -wartung und -reparatur erheblich senken wird, in die Praxis zu überführen. Die NTNU und die unabhängige Forschungsorganisation SINTEF forschen übrigens seit mehr als zehn Jahren auf dem Gebiet der Schlangenrobotik.

Die Eelume-Roboter sollen zukünftig dauerhaft auf dem Meeresboden an einer Dockingstation installiert werden, um geplante und bedarfsgesteuerte Inspektionen und Eingriffe durchzuführen. Ihr schlanker und flexibler Körper ermöglicht den Zugang zu begrenzten Bereichen, die für konventionelle Unterwasserroboter nur schwer zugänglich sind. Die Roboter können zudem wie eine echte Seeschlange selbständig schwimmen oder sich mit Hilfe von Triebwerken fortbewegen und große Entfernungen zurücklegen.

Technische Details werden nicht bekanntgegeben, auf dem Konzeptvideo ist allerdings zu sehen, daß der schlangenartige Körper noch an Stromkabeln hängt, die in Zukunft aber abgeschafft werden sollen.

Auf der aktuellen Homepage der Eelume werden autonome ,All-Terrain’-Unterwasserfahrzeuge beworben, die allerdings mehr wie U-Boote aussehen, während der Roboter-Aal inzwischen als modulare Plattform unter dem Namen Eelume 500M angeboten wird (Stand 2025). Die 250 - 600 cm langen Roboter mit einem Durchmesser von 20 cm, die in der Luft 70 - 180 kg wiegen, können bis in eine Tiefe von 500 m abtauchen, erreichen eine Geschwindigkeit von bis zu 2 Knoten und haben eine Ausdauer von bis zu acht Stunden.

 

Weiter mit der allgemeinen Jahresübersicht: Auf der slowenischen Messe Internautica im Mai 2012 wird ein neues, rein elektrisches Tragflächenboot mit zwei ergonomischen Sitzen vorgestellt, das eine Kreuzung zwischen einem Jet-Ski und einem Boot darstellt. Die Resonanz ist so erfolgreich, daß noch in diesem Jahr eine Kleinserie von 100 Exemplaren produziert werden soll. Das knapp 3 m lange Quadrofoil war von drei jungen slowenischen Designern innerhalb von nur sechs Monaten entwickelt worden.

Auf dem Wasser ist das aus einer leichten Karbonfaser- und Kevlarkarosserie bestehende Quadrofoil, das dank der Hydrofoiling-Technologie auf dem Wasser fliegt, leise und erzeugt kaum Wellen. Es ist für den Einsatz auf Seen und Flüssen konzipiert und eignet sich aufgrund seines speziell angefertigten elektrischen Antriebssystems, des Außenbordmotors und dem patentierten Lenksystem ideal für Fahrten in Meeresschutzgebieten, wo die meisten Motorboote und Jetskis verboten sind.

Die erste Serie der limitierten Auflage von 100 Exemplaren soll im März 2015 ausgeliefert werden. Die Q2S Electric Limited Edition ist zur Vorbestellung erhältlich und kostet 22.500 €. Dieses Modell wiegt 335 kg und ist mit einem 5,5 kW Motor und einer 10 KWh Batterie ausgestattet, was eine Reichweite von 100 km und eine Geschwindigkeit von 21 Knoten ermöglicht. Anschließend soll zu einem Preis von 15.000 € der Q2A Electric geliefert werden, der ein Gewicht von 295 kg hat und mit einem 3,7 kW Motor und einer 4,5 KWh Batterie ausgestattet ist, was eine Reichweite von 50 km ermöglicht und eine Geschwindigkeit von 16 Knoten.

Es kann außerdem innerhalb einer Stunde (das Q2S in zwei) an einer Steckdose oder über die flexiblen Solarzellen aufgeladen werden, die mit jedem Quadrofoil mitgeliefert werden und im Inneren des Wasserfahrzeugs zusammengefaltet werden können, um als Notstromquelle zu dienen oder um die Batterie aufzuladen, wenn man vom Netz ist.

Eine der wichtigsten Errungenschaften der Maschine ist die Entwicklung eines Klappmechanismus für das Tragflächenprofil, der es ermöglicht, die 5 kg schweren, aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Beine des Tragflächenprofils während der Benutzung zu verstellen und sie mit Hilfe einer manuellen oder elektrischen Winde nach oben zu klappen, bevor man in einen Schwimmbereich eintaucht oder sich dem Ufer nähert.

Nach dem Hochklappen der Tragflügelbeine hat das Quadrofoil einen Tiefgang von nur 15 cm. Zum Transport können die klappbaren Beine auch abgenommen werden.

Ebenfalls förderlich: Aufgrund der geringen Leistung des 3,7 kW Motors gehört das Quadrofoil zu einer Kategorie von Wasserfahrzeugen, für die in der EU keine Zulassung, kein PWC-Führerschein, keine Versicherung und keine Navigationserlaubnis erforderlich ist. Zudem ist der aus Verbundwerkstoffen gefertigte Rumpf des Bootes dank eines luftdichten Oberteils fast unsinkbar.

Das gleichnamige slowenische Unternehmen Quadrofoil befindet sich derzeit in der Kapitalbeschaffungsphase, um die Produktionspläne für mehr als 10.000 Einheiten pro Jahr ab 2013 zu finanzieren. Außerdem ist bereits die Entwicklung einer wesentlich schnelleren Maschine im Gange.

Meldungen im Dezember 2016 besagen allerdings, daß das Quadrofoil erst jetzt, nach vier Jahren Entwicklungszeit, endlich serienreif sei. Die Verzögerung soll darauf zurückzuführen sein, daß die Ingenieure der Firma den ursprünglichen Prototyp testen, überprüfen, verbessern und feinabstimmen mußten. Nun soll die Auslieferung der limitierten Q2S-Version im März 2017 beginnen - und der Q2A Anfang 2018 folgen.

 

Weiter mit den Elektro- und Solarschiffen...

 

Nach den Elektroschiffen wenden wir uns nun der dritten Dimension zu und schauen uns an, wie die Entwicklung auf dem Sektor der Elektro- und Solarflugzeuge verlaufen ist.

 

Weiter mit den Elektro- und Solarfluggeräten...