Es ist einer der ältesten Menschheitsträume: Fliegen wie ein Vogel – sich frei in der Luft in allen Dimensionen bewegen und die Welt mit Abstand aus der Vogelperspektive betrachten zu können. Nicht minder faszinierend ist der Vogelflug an sich. Vögel verschaffen sich nur mit der Muskelkraft ihrer Flügel Auftrieb und halten sich in der Luft. Mit denselben Flügeln erzeugen sie die nötige Schubkraft, um den Strömungswiderstand zu überwinden und ihren Körper in Bewegung zu setzen – ohne jedes rotierende Teil. Die Funktionsintegration von Auftrieb und Vortrieb ist der Natur genial gelungen. Vögel messen, steuern und regeln ihren Bewegungslablauf fortlaufend und völlig autonom, dem Ziel des Überlebens verpflichtet. Dazu benutzen sie ihre Sinnesorgane.
Der Vogelflug gab lange Rätsel auf. Viele Wissenschaftler sind daran schon gescheitert, das Geheimnis des Vogelfluges blieb bislang ungelöst. Dem Forscherteam des Familienunternehmens Festo ist es 2011 nun gelungen das Rätsel um den Vogelflug zu lüften. Der Schlüssel ist dabei eine ganz besondere Bewegung, die den SmartBird von den bisherigen Schlagflügelapparaten unterscheidet und die es dem ultraleichten und leistungsstarken Flugmodell ermöglicht, eigenständig zu starten, zu fliegen und zu landen.
Der SmartBird fliegt, gleitet und segelt durch die Luft, ganz nach seinem Vorbild aus der Natur – der Silbermöwe. All das ohne zusätzlichen Antrieb. Seine Flügel schlagen dabei nicht nur auf und ab, sondern verdrehen sich gezielt. Dies geschieht durch einen aktiven Gelenktorsionsantrieb, der in Verbindung mit einer komplexen Regelung bisher unerreichte Wirkungsgrade im Flugbetrieb realisiert. Damit gelingt Festo erstmals eine energieeffiziente, technische Adaption des natürlichen Vorbilds.
Bei der Entwicklung des Modells konnten die Ingenieure aus der Vielfalt bereits gewonnener Erkenntnisse und entwickelter Innovationen schöpfen. Die Erfahrung der Bionic Learning Projekte AirRay und AirPenguin flossen in die Konzeption des SmartBird mit ein. Die Faszination, den Vogel nur mit Hilfe des Flügelschlags starten, fliegen und landen zu lassen, war der Antrieb für die Entwickler. Denn Festo beherrscht als Global Player in der Pneumatik das Strömungsverhalten der Luft wie kein anderer. Auch bei Entwicklung und Bau aktueller Zylinder- und Ventilgenerationen gilt es die Strömung der Luft optimal und effizient für die Automatisierungstechnik zu nutzen.
Eine Besonderheit des SmartBird ist die aktive Verdrehung der Flügel und die Tatsache, dass er ohne zusätzliche Auftriebshilfen auskommt. Die Zielvorgaben für den Bau des SmartBird waren eine energie- und ressourceneffiziente Gesamtstruktur mit minimalem Gesamtgewicht, begleitet von einer Funktionsintegration von Vor- sowie Auftrieb in den Flügeln und der Flugsteuerung im Rumpf- und Schwanzbereich. Weitere Anforderungen waren eine hervorragende Aerodynamik, eine hohe Leistungsdichte im Antrieb sowie eine maximale Agilität des Flugobjektes. Entstanden ist dabei ein intelligentes biomechatronisches Gesamtsystem.
Das agiert in der Praxis vor allem energieeffizient: Vor- und Auftrieb werden, wie beabsichtigt, ausschliesslich durch das Schlagen der beiden Flügel erzeugt und benötigen dabei lediglich rund 23 Watt Leistung. Dies bei einem Gesamtgewicht von ca. 450 Gramm und einer Flügelspannweite von zwei Metern. Bei Messungen konnten elektromechanische Wirkungsgrade bis 45 % und aerodynamische Wirkungsgrade bis zu 80 % ermittelt werden. So ist der SmartBird ein tolles Beispiel für die Funktionsintegration, den ressourceneffizienten extremen Leichtbau und die optimale Nutzung der Strömungsphänomene in der Luft. Er wird für die weitere Optimierung zukünftiger Zylinder- und Ventilgenerationen wichtige Ansätze liefern.
Die On-Board-Elektronik ermöglicht eine präzise Ansteuerung der Flügel. Zusätzlich können die Steuerparameter in Echtzeit eingestellt und optimiert werden. Die Steuerung des Ablaufs von Flügelschlag und Verdrehung erfolgt im Millisekunden-Takt und bewirkt optimale Strömungsverhältnisse der Luft an den Flügeln. Das Flugmodell SmartBird kommt dabei in der Aussenhülle ohne rotierende Teile aus und schliesst damit die Gefahr von Verletzungen aus. So setzt es einen Ansatz fort, der bereits bei der Entwicklung des Bionischen Handling-Assistenten eine wichtige Rolle spielte: Die Mensch-Maschine-Interaktion. Diese läuft sowohl beim Bionischen Handling-Assistenten als auch beim SmartBird ohne ein Risiko für den Menschen ab. Damit reiht sich der SmartBird von Festo in die Liste zukunftsweisender Technologien ein, die auch in der Praxis eine Anwendung finden sollen. Mögliche Einsatzgebiete reichen von Hubflügelgeneratoren zur Energiegewinnung bis zu Stellantrieben in der Prozessautomation.
Mehr Informationen unter: www.festo.ch/SmartBird