Quallen gehören zu den effizientesten Schwimmern im Meer
Ausgerechnet die eher unbeliebten Quallen haben in ihrer Evolution einen der effizientesten Antriebe im Tierreich entwickelt – den Rückstoßantrieb. Der macht die Nesseltiere zu einem dreieinhalbmal so effektiven Schwimmer wie den schnellen Lachs.
Langsam und ruhig gleiten sie durch das Meer, nur ab und zu kontrahieren ihre Muskeln für einen weiteren Vorstoß. Quallen. Die gallertartigen Nesseltiere haben einen erstaunlich effektiven Antrieb entwickelt, der ihre Langsamkeit mehr als nur kompensiert. Amerikanische Forscher vom Marine Biological Laboratory in Woods Hole haben jetzt herausgefunden, dass der Rückstoßantrieb der Quallen zu den effektivsten Antrieben im gesamten Tierreich gehört.
Quallen kommen mit nur einem Prozent Muskelmasse aus
Es ist beachtlich: Während bei Fischen die Muskelmasse rund die Hälfte ihres Körpergewichtes ausmacht, ist es bei den Quallen gerade einmal ein Prozent. Dadurch bleibt der größte Teil des Quallen-Körpers auch beim Schwimmen in Ruhe. Brad Gemmell und sein Team filmten die Quallen mit einer High-Speed-Kamera und analysierten ihre Bewegungen im Detail. Es zeigte sich: Nur 20 Prozent jedes Schwimmzyklus legt die Qualle mit der Kontraktion zurück. Den Rest des Schubes erhält das Tier gerade dann, wenn sich sein Hut wieder passiv entspannt. „Die dabei erzeugte Kraft kann eine vier Zentimeter große Ohrenqualle gut zehn Millimeter vorwärts bringen – das entspricht 80 Prozent der Gesamtstrecke pro Rückstoß-Vorgang“, berichten die Forscher jetzt im Fachblatt „Proceedings of the National Academy of Science“.
Ringförmiger Wirbel bringt den Extra-Schub
Die raffinierte Konstruktion des elastischen Hutmaterials sorgt dafür, dass beim passiven Öffnen des Huts ein ringförmiger Wirbel entsteht, der für den Extra-Schub sorgt. Ein Großteil der zuvor eingesetzten Energie wird dadurch wiedergewonnen und erneut eingesetzt. Dieses Prinzip macht die Ohrenqualle zu einem dreieinhalbfach effektiveren Schwimmer als den schnellen Lachs. Und genau dieser Energiesparmodus macht sie so effektiv. „Diese Fähigkeit verleiht den Quallen einen energetischen Vorteil, der ihnen schnelle Massenvermehrungen über kurze Zeitperioden erlaubt, bei denen sie dann sogar Fische im Wettbewerb um Beute schlagen“, konstatieren Gemmell und seine Forscherkollegen.
Vor allem an Orten in den Ozeanen, wo das Ökosystem des Meeres außer Balance geraten ist, beispielsweise durch Überfischung oder den Klimawandel, sind die Quallen nicht zu stoppen. So haben sie in weiten Teilen des Schwarzen Meeres Quallen die Herrschaft übernommen. Und in der Kieler Bucht fallen die Jungmedusen der Ohrenqualle jährlich über die frisch geschlüpfte Heringsbrut her mit starken negativen Auswirkungen auf die Fischbestände.
Qualle als Vorbild für technische Antriebe
Der sparsame Antrieb der Quallen kann Vorbild werden für effektive technische Antriebe. „Es könnte sich überall dort anbieten, wo es wichtig ist, möglichst wenig Energie für die Fortbewegung zu verbrauchen und wo Geschwindigkeit keine große Rolle spielt“, so die US-Forscher. Auf diesen Pfaden ist der Automatisierungsspezialist Festo schon seit fünf Jahren unterwegs. Festo hat bereits auf der Hannover Messe 2008 seine ersten künstlichen Quallen vorgestellt. Da ließ Festo einen mit Helium gefüllten Ballon über seinen Messestand kreisen, der von einem bionischen Antrieb bewegt wurde: Ein kleiner Elektromotor drehte ein Kegelrad, das über Stirnräder acht Wellen antrieb, die wiederum die acht Tentakel der Qualle bewegten.
Dabei nutzen die Tentakel den sogenannten Fin Ray-Effekt: Die Tentakel bestehen am oberen Ende aus zwei Teilen, die mit Spanten elastisch verbunden sind. Wenn eine dieser Flanken gedrückt wird, wölbt sich die gesamte Struktur gegen die Kraftrichtung – die gesamte Konstruktion wiegt kaum mehr als ein Kilogramm. „Festo macht das, weil wir die Jugendlichen für Technik begeistern wollen“, sagt Projektleiter Markus Fischer. „Ein zweiter Grund ist natürlich, dass wir auch unsere Kompetenz demonstrieren wollen. Festo hat lange nur pneumatische Antriebe gebaut. Jetzt kombinieren wir pneumatische und elektrische Antriebe.“
Festo betreibt das Bionic Learning Network
Die Idee für die Entwicklung von künstlichen Quallen stammt aus dem Bionic Learnig Network, das Festo im Bereich der technischen Aus- und Weiterbildung betreibt. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Projekte, Versuchs- und Technologieträger. Ziel ist es, automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver zu gestalten.
Seit fünf Jahren optimiert Festo seine künstlichen Quallen jetzt schon, die Aquajellies genannt werden. Damit die Bewegungen der Aquajellies ihrem natürlichen Vorbild so nahe wie möglich kommen, verfügen die künstlichen Quallen über eine intelligente, adaptive Mechanik und sind mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet. Die Aquajellies bestehen aus einer durchsichtigen Halbkugel und acht Tentakeln, die dem Vortrieb dienen. Im Zentrum der Aquajelly befindet sich ein wasserdichter, lasergesinterter Druckkörper. Dieser enthält im Inneren einen zentralen, elektrischen Antrieb, zwei Lithium-Ionen-Polymer-Akkus mit der Größe von zwei Smartphone-Akkus, die Laderegelung sowie die Servomotoren für die Taumelscheibe.
Steuerung durch Gewichtsverlagerung
Denn ihre Steuerung im dreidimensionalen Raum erfolgt durch Gewichtsverlagerung. Hierzu steuern die zwei Servomotoren im Körper die Taumelscheibe an. Die Scheibe bewegt ein vierarmiges Pendel, das in die vier Raumrichtungen ausgelenkt werden kann. Neigt sich das Pendel in eine Richtung, verlagert sich der Schwerpunkt der Qualle dorthin und sie schwimmt nun in diese Richtung. In Kombination mit dem peristaltischen Vortrieb können die Aquajellies so in jede Raumrichtung schwimmen.
Im Wasser verhalten sich die künstlichen Quallen wie ihre natürlichen Vorbilder. Sie bilden ein selbststeuerndes System, welches ein ausgeprägtes Kollektivverhalten aufweist. Zudem sind die Aquajellies in der Lage, die eigene Energieversorgung selbstständig zu steuern. Die Aquajellies verfügen über eine innere Sensorik, die eine Überwachung ihres Energiezustandes ermöglicht. Sie stehen in permanenter Kommunikation mit der Ladestation. Gelangt die künstliche Qualle an eine Ladestation, die oberhalb des Wasserbeckens angebracht ist, wird die Qualle angesaugt und mit Strom versorgt. Über stromsparenden Nahbereichsfunk kann die Aquajelly mit der Ladestation Zustandsdaten austauschen und anderen, an der Oberfläche befindlichen Quallen-Kollegen signalisieren, dass die Ladestation gerade besetzt ist.
Sensorik und Kommunikation durch Druck, Funk und Infrarot
Umweltsensoren verhindern, dass die autonomen künstlichen Quallen miteinander kollidieren. Jede Aquajelly verfügt über elf Infrarot-Leuchtdioden, die auf einem Ring innerhalb ihrer Kuppel angebracht sind. Je sechs weiße und blaue LEDs auf der Platine visualisieren die Kommunikation für den Zuschauer. Unter Verwendung gepulster Infrarotsignale können die Aquajellies über eine Entfernung von bis zu 80 Zentimetern kommunizieren. Somit kann jede Qualle beispielsweise rechtzeitig ein Ausweichmanöver einleiten, wenn sie das Positionssignal einer sich nähernden Qualle empfängt. Die integrierte Kommunikations- und Sensortechnik sowie die Echtzeitdiagnose ermöglichen ein abgestimmtes, kollektives Verhalten auch auf begrenztem Raum. Die Sensorik der Quallen greift auf drei unterschiedliche Medien zurück: Druck, Funk und Infrarot.
Jede Qualle entscheidet autonom aufgrund ihres Zustands, der von Ladezustand, Stellung des Antriebs, aber auch von der Nachbarschaft zu anderen Quallen abhängt, welche Aktion sie als nächstes ausführt. Ohne eine festgelegte Steuerung des Gesamtsystems entsteht trotzdem – nur durch die einfachen Aktionen des Einzelnen – ein gemeinsames Verhalten der gesamten Gruppe. Damit sind die Aquaellies Ausgangspunkt und Inspiration für weitere Entwicklungen; unter anderem für die Untersuchungen zu kollektiven Verhaltensmustern. Überträgt man dieses Prinzip auf die Automation, könnten sich mehrere autonome, dezentrale Systeme gezielt vernetzen und gemeinsam größere Aufgaben lösen.
Echtzeitdiagnose dank Smartphone-App
Die Festo-Bionik-Entwickler haben ihre Aquajellies mit dem Smartphone jederzeit im Blick. Mittels einer App kann der aktuelle Zustand jeder einzelnen Qualle sowie ihre Kommunikation untereinander aufgezeichnet und verfolgt werden. Dank der Echtzeitdiagnose ist unter anderem eine Parameterabfrage zum aktuellen Batteriezustand, zur Temperatur, zum momentanen Stromverbrauch und zur Tiefe der Quallen im Wasser möglich. Außerdem zeigt ein Bewegungsprofil, in welche Raumrichtung die jeweilige Qualle schwimmt.
In der Fabrik der Zukunft wird es immer häufiger vorkommen, dass sich dezentrale Systeme oder Bauteile selbst organisieren und so Aufträge der übergeordneten Steuerungsebene übernehmen. Grundlage dieser künftigen Produktionssysteme sind intelligente Komponenten – in sich abgeschlossene, autonom funktionierende mechatronische Baugruppen. Informations- und Kommunikationstechnologien sollen mit den klassischen industriellen Prozessen verschmelzen. Die Aquajellies helfen, solche vernetzten Gesamtsysteme schon heute zu veranschaulichen.
Ein Überblick über die bionischen Prototypen des Automatisierungsspezialisten Festo
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