Things that Fly

Was mich besonders interessiert, ist die Fähigkeit von lebenden Organismen, ökonomische und adaptive Mechanismen zu nutzen. Deswegen wende ich mich der Natur als Quelle der Inspiration zu, um neue oder bessere Antworten auf die komplexen Probleme der Robotik zu finden.

Prof. Dario Floreano, EPFL
Exposition EPFL - Things that Fly
Von Tieren inspirierte Drohnen
Drone with insect-inspired vision – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Fliegende Insekten haben einen «Weitwinkelblick». Ihre Komplexaugen bestehen aus Hunderten von kleinen Augen, die in verschiedene Richtungen zeigen. Dieses 2006 ins Leben gerufene Modell ist eines der ersten, das vom Laboratory of Intelligent Systems der EPFL entwickelt wurde.

Es ist die Basis für eine Drohnenfamilie mit verschiedenen Mikrokameras. Sie ahmen die «Multi-Eye»-Vision von fliegenden Insekten nach, damit die Drohnen Hindernisse umgehen und ihre Flughöhe beibehalten können. Die visuellen Signale wurden mithilfe eines von Insekten inspirierten neuronalen Netzwerks erstellt und mit Daten von Druck-, Geschwindigkeits- und Höhensensoren kombiniert, um einen autonomen Fug zu ermöglichen.

Diese Technologie wurde von der an der EPFL gegründeten Firma SenseFly entwickelt.

Collision-resilient drone (Gimball) – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Egal wie gut eine Drohne «sieht», Kollisionen sind unvermeidbar. Die flexiblen Hautpanzer der Insekten sind allerdings äusserst widerstandsfähig gegen Stösse: Wenn sie auf den Boden fallen, können sie sich mit ihren Flügeln und Beinen aufrichten und ihren Flug fortsetzen.

Vor diesem Hintergrund entwarf das Forschungsteam des Laboratory of Intelligent Systems der EPFL 2010 eine neue Drohnenfamilie, die kollisions- und sturzfest ist und nach einem Sturz wieder fliegen kann. Diese jüngere Drohne aus dem Jahr 2014 hat ein Exoskelett, das ohne Probleme auf Hindernisse treffen und auf dem Boden rollen kann.

Die Drohne wird von der an der EPFL gegründeten Firma Flyability entwickelt.

Cage Drone – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Lieferdrohnen benötigen grosse Propeller, um Objekte effizient transportieren zu können. Propeller können jedoch für Personen, die sich während des Flugs in der Nähe befinden, eine Gefahr darstellen.

Aus diesem Grund hat diese Auslieferungsdrohne ebenfalls ein Exoskelett, das um das Paket und um die Propeller gewickelt wird, wie Packpapier. Es kann auch gefaltet werden, wenn es nicht verwendet wird.

Die unter dem Namen «PackDrone» patentierte Drohne wird von der Firma Dronistics, die an der EPFL ins Leben gerufen wurde, kommerziell angeboten.

Turtle-inspired drone (GearQuad) – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Kann eine Schildkröte Experten der Flugrobotertechnik inspirieren? Die Antwort scheint ein klares «Ja» zu sein, wenn man sich die Propellerdrohne anschaut, die kleine oder mittelgrosse Objekte tragen kann.

Die Propeller dieser Drohne treten für den Flug aus dem käfigförmigen «Panzer» heraus. Für die platzsparende Lagerung und für einen vereinfachten Transport können die Propeller eingezogen werden. Bei diesem Modell wird das Paket oben auf den Käfig gelegt.

Diese Drohne mit dem Namen «GearQuad» stammt ebenfalls aus dem Haus Dronistics.

Drone with morphing wing and rotatable wing ends – LIS, EPFL

Während die meisten Drohnen nur fliegen können, können viele geflügelte Tiere sowohl fliegen als auch laufen. Einige multimodale Tiere können sogar die Form ihres Körpers anpassen, um dieselben Gelenke und Muskeln für verschiedene Arten der Fortbewegung zu verwenden.

Diese Beobachtung hat zur Entwicklung einer komplexeren Drohne geführt. Sie kann ihre Flügel ausspannen, um weite Strecken zurückzulegen; in den Segelmodus wechseln, um sanft aufzusetzen; ihre Flügel gegen den Körper falten und ihre Flügelspitzen verwenden, um sich auf dem Boden fortzubewegen oder aufrecht zu stehen, um mithilfe ihrer beiden vorderen Propeller vertikal vom Boden abzuheben.

LIS Hawk – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Eine Drohne zu entwerfen, die so agil und robust wie ein Raubvogel ist, ist eine grosse Herausforderung für die Forschenden der Robotik. Das im Jahr 2020 entwickelte Modell hat künstliche Federn am Schwanz und Flügel, die gedreht und gefaltet werden können.

So kann die Drohne ihre Flügel und Endfedern wie ein Vogel bis zur grössten Spannweite ausbreiten, um mehr Auftrieb zu erzeugen und so länger oben zu bleiben. Bei hohen Geschwindigkeiten oder bei Gegenwind kann sie die Spannweite verringern, um den Luftwiderstand zu minimieren. Die Drohne ahmt somit die natürliche Fähigkeit der Vögel nach, sich an verschiedene Wind- und Geschwindigkeitsbedingungen anzupassen, an Agilität zu gewinnen und Energie zu sparen.

 Das Team von Professor Floreano hat sich auch von Vögeln inspirieren lassen, um den Drohnen beizubringen, wie sie landen, auf einem Ast sitzen, Objekte ergreifen und vom Boden abheben.

Beetle drone - Laboratory of Intelligent Systems EPFL
Beetle drone – Laboratory of Intelligent Systems, EPFL

Dank ihrer harten, hornhautartigen Aussenflügel verfügen Käfer über die bemerkenswerte Fähigkeit, sich nach einem Sturz wieder aufzurichten.

Das Team im Laboratory of Intelligent Systems der EPFL hat sich bei der Entwicklung dieses Modells an Käfern orientiert, um eine Lösung für ein wiederkehrendes Problem bei Drohnen mit starren Flügeln zu finden: das Umkippen.

Diese ausgereiften Flügel richten den Drohnenkäfer automatisch auf, wenn er umgefallen ist, und geben ihm während des Fluges einen besseren Auftrieb.

Wie Vögel im Schwarm fliegen

Zusammenhalt ist Stärke: ein Sprichwort, das nicht nur für Vögel gilt, sondern auch für Drohnen. Wenn Drohnen in Schwarmformation fliegen könnten, könnten sie wie Vögel grössere Strecken zurücklegen und eine grössere Vielfalt an Informationen sammeln.

Dieser Herausforderung hat sich das Team von Professor Dario Floreano gestellt: Drohnen gemeinsam und in die gleiche Richtung fliegen zu lassen und dabei Kollisionen durch die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zu vermeiden.

Diese Drohnen können somit auf die Bewegungen anderer Drohnen reagieren, Bewegungsmuster synchronisieren und ihren Flug – beispielsweise in Erwartung einer zukünftigen Verlangsamung – anpassen.

Laboratory of Intelligent Systems, EPFL – Prof. Dario Floreano

Schutz der Wildtiere vom Himmel aus

In Naturschutzgebieten bieten neue Technologien beispiellose Vorteile: für Schätzungen von Tierpopulationen, für ein besseres Verständnis ihres Verhaltens und für den Kampf gegen die Wilderei oder den Verlust der biologischen Vielfalt.

Seit 2014 entwickelt das Team rund um das interdisziplinäre Projekt «Savmap» innovative Ansätze für eine vereinfachte Versorgung von Wildtieren im namibischen Naturschutzgebiet Kuzikus. Dabei verarbeiten und analysieren Expertinnen und Experten geografische Daten und nehmen mit Drohnen Bilder auf. Gemeinsam mit Reservatspezialistinnen und -spezialisten flog das Team jedes Jahr mit leichten Drohnen über die Savanne, um Tausende von Luftaufnahmen zu machen.

Danach sammelten sie die Bilder und erstellten KI-gestützte Modelle, damit der Computer die Tiere automatisch und mit grosser Präzision identifizieren kann. Bevor die Modelle jedoch selbstständig arbeiten können, müssen Menschen die Bilder anschauen, damit die Maschine lernen kann.

Environmental Comptutational Science and Earth Observation Laboratory, EPFL – Prof. Devis Tuia

Hiveopolis - new hive
Den Bienenstock der Zukunft erfinden

Das Projekt «HIVEOPOLIS», das von sieben europäischen Forschungsgruppen unterstützt wird, schafft moderne Bienenvölker, die vollständig an aktuelle Herausforderungen wie Urbanisierung, Klimawandel oder Pestizide angepasst sind.

Ziel ist es, Technologien (Sensoren, Roboter, Algorithmen usw.) zu integrieren, um den Bienenstock und die Bienenzucht der Zukunft zu entwickeln sowie das Wohlergehen und das Überleben dieser Tiere zu fördern, die ein derart wichtiger Bestandteil der Nahrungskette sind.

Die in die Bienenstöcke integrierten Technologien bringen einige Vorteile. Insbesondere ist es möglich, den Zustand der Kolonie zu messen, die Aktivitäten der Bienen zu beobachten, den Gesundheitszustand der Larven zu erkennen und sogar die berühmten «Tänze», mit denen die Sammelbienen miteinander kommunizieren, zu dekodieren und durch Vibrationen zu modifizieren.

Mobile Robots Group (MOBOTS), Biorobotics Laboratory, EPFL – Prof. Francesco Mondada