Wenn in der Natur ein Vogel, ein Insekt oder eine Fledermaus fliegt, sieht das mühelos und einfach aus. Zu verstehen, wie diese Tiere Auftrieb erzeugen und sich durch die Luft bewegen, erweist sich als viel komplexer. Assistenzprofessor David Lentink leitet eine Gruppe von Hochschulforschern der Stanford University, die ATIs Kraft-/Drehmomentsensoren einsetzen, um dieses Geheimnis zu lüften. Das Team hat eine so genannte „aerodynamische Kraftplattform“ zur Messung der aerodynamischen Kräfte bei Freiflugexperimenten mit gut trainierten Vögeln entwickelt. Die Experimente werden in vivo durchgeführt, was lateinisch für „unter Lebenden“ steht und bedeutet, dass das Experiment dem natürlichen Verhalten entspricht. Bemerkenswert ist, dass die neue Methode „berührungslos“ ist und den Vögeln erlaubt, frei zu fliegen, ohne in irgendeiner Weise durch Instrumente belastet zu werden, was sie besonders tierfreundlich macht.
Die Flugforschung befasst sich mit der Untersuchung der Flügelstruktur, der Flügelbewegungen und ihrer Wechselwirkungen mit der Luft. Von besonderem Interesse sind die Kräfte, die Tiere während des Fluges aufbringen, um in der Luft zu bleiben und verschiedene Manöver auszuführen. Bisher mussten diese Kräfte indirekt anhand von theoretischen Modellen und gemessenen Strömungsfeldern oder durch Anbinden der Tiere an ein Messsystem gemessen werden. Bei Tieren höherer Ordnung, wie z. B. Vögeln, können diese Fesseln jedoch nicht verwendet werden, da dies ihr Wohlbefinden und ihr natürliches Flugverhalten stören würde. Aus wissenschaftlicher Sicht kann eine angebundene Kraftmessung nicht abbilden, was beim Fliegen der Tiere wirklich passiert, was zu einer irreführenden und ungenauen Modellierung des Flugverhaltens führt. Lentinks Team untersuchte drei gängige Modelle und kam zu enttäuschenden Ergebnissen. „Alle drei schnitten schlechter ab als erhofft und sagten den Auftrieb nicht zuverlässig voraus, was zeigt, dass an der Verbesserung der Modelle gearbeitet werden muss“, berichtet die Stanford-Absolventin Diana Chin.
Stanfords Aerodynamic Force Platform (AFP) mit oben und unten angebrachten ATI Nano43 Kraft-/Drehmomentsensoren
Einer der ansässigen Flugexperten in Stanford ist ein Pazifik-Papagei namens Obi. Wie alle anderen Vögel im Lentink-Labor wurde auch Obi ausschließlich mit positiver Verstärkung trainiert – er fliegt auf Kommando. In früheren Experimenten flog Obi durch eine mit kleinen Nebelpartikeln getränkte Laserfolie und trug dabei eine speziell angefertigte Laserschutzbrille. Die Schutzbrille wurde von dem ehemaligen Doktoranden Eric Gutierrez entworfen und diente dazu, Obi während des Flugtests zu schützen. Gutierrez konnte das Strömungsfeld um Obis Flügel rekonstruieren, indem er die Bewegung der Partikel als Reaktion auf den Flügelschlag des Vogels mit Hochgeschwindigkeitskameras aufzeichnete. Er kombinierte diese Strömungsfeldmessungen mit gängigen aerodynamischen Modellen, um Schätzungen der momentanen Kraft abzuleiten. Diese Schätzungen wurden dann mit direkten Messungen verglichen, die während einer separaten Reihe von Papageienflügen in der Aerodynamic Force Platform durchgeführt wurden. Die Vergleiche zeigten die schlechte Vorhersagekraft der gängigen Modelle, was den Wert direkter Kraftmessmethoden weiter unterstreicht.
Da so wenig über die während des Fluges entstehenden aerodynamischen Kräfte bekannt ist, stand das Stanford-Forschungsteam vor einer gewaltigen Aufgabe: Es musste eine Möglichkeit gefunden werden, kleine, sich jedoch dynamisch verändernde Auftriebskräfte ohne Anbindehaltung zu erfassen. Es musste unbedingt eine natürlichere Umgebung geschaffen werden, in der sie ein Tier darauf trainieren konnten, auf Kommando zu fliegen, und die durch seine Flügelschläge erzeugten Kräfte beobachten konnten. Diese Ziele waren der Auslöser für die Aerodynamic Force Platform und führten schließlich zur Entwicklung der neuen In-vivo-Experimente, mit denen der von einem fliegenden Tier erzeugte Auftrieb zum ersten Mal direkt gemessen wurde.
Die Aerodynamic Force Platform (AFP) ist eine geschlossene Flugkammer, an deren Ober- und Unterseite die Nano43 Kraft-/Drehmomentsensoren von ATI angebracht sind. Während der Flüge in der AFP erzeugen die Flügelschläge Druckänderungen in der Luft, die von den Nano43-Sensoren von ATI in aerodynamische Kraftmessungen umgesetzt werden. Chin erklärt: „Die Empfindlichkeit und Präzision der Nano43-Sensoren waren ideal für die Messung der kleinen Kräfte, die von den Vögeln in der Aerodynamic Force Platform erzeugt werden, und die schnelle Abtastrate war notwendig, um die Kräfte innerhalb der Flügelschläge aufzulösen.“ Die ATI F/T-Sensoren liefern Kraftrückmeldungen aus sechs verschiedenen Achsen und zeichnen Veränderungen auf, sobald sie auftreten, in diesem Fall bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Die Ergebnisse dieser Experimente bieten einen umfassenderen Blick auf dynamische Druckänderungen während des Fluges, was bisher nicht möglich war.
Durch die Integration der ATI-Kraft-/Drehmomentsensoren in die Aerodynamic Force Platform erhält Stanford genauere Daten von jedem Flugversuch. Die AFP ist ein großer Durchbruch für das Team und für die Flugforschung; die Kombination dieser neuen Technologie mit In-vivo-Experimenten ermöglicht einen tieferen Einblick in die Flugmechanik von Tieren. Lentink, Chin, Gutierrez und der Rest des Teams haben fundiertere Schlussfolgerungen über den Vogelflug gezogen, die die Technologie von Flugrobotern voranbringen werden. Mit diesen Techniken wird das Team biomimetische Roboter entwickeln, die bei Such- und Rettungseinsätzen helfen, Überwachungsaufgaben unter gefährlichen Bedingungen übernehmen oder sogar medizinische Güter liefern können.
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Nano43 Modell Sechs-Achsen-Kraft-/Drehmoment-Sensor
