Seit mehr als 15 Jahren befasst sich das Bionic Learning Network von Festo mit der Faszination Fliegen. Neben der technischen Entschlüsselung des Vogelflugs hat das Team zahlreiche weitere Flugobjekte und ihre natürlichen Prinzipien erforscht und technologisch umgesetzt. Aktuell gibt es nun die BionicBee. Mit einem Gewicht von etwa 34 g, einer Länge von 220 mm und einer Flügelspannweite von 240 mm ist sie das bisher kleinste Flugobjekt des Bionic Learning Networks.

Erstmals bedienten sich die Entwickler der Methodik des generativen Designs: Nach Eingabe weniger Parameter findet eine Software auf Basis definierter Gestaltungsprinzipien die optimale Struktur, um so wenig Material wie nötig bei möglichst stabiler Konstruktion aufzuwenden. Dieser konsequente Leichtbau ist elementar für eine gute Manövrierfähigkeit und Flugdauer.

Im Bienenkörper befinden sich die kompakte Konstruktion für den Schlagflügelmechanismus, die Kommunikationstechnik sowie die Steuerungskomponenten für Flügelschlag und Adaption der Flügelgeometrie. Auf engstem Raum sind ein Brushless-Motor, drei Servomotoren, der Akku, das Getriebe sowie verschiedene Platinen verbaut. Durch das intelligente Zusammenspiel von Motoren und Mechanik lassen sich zum Beispiel die Frequenz des Flügelschlags für die verschiedenen Manöver präzise einstellen.

Natürliche Flugmanöver mit vier Freiheitsgraden

Die künstliche Biene fliegt mit einer Schlagfrequenz von 15 bis 20 Herz. Dabei schlagen die Flügel im 180°-Winkel vor und zurück. Der Brushless-Motor treibt den Flügelschlag spielfrei über eine präzise geführte, ultraleichte, Mechanik-Konstruktion an. Je höher die Drehzahl, desto höher die Schlagfrequenz und der Auftrieb. Die drei Servomotoren an der Flügelwurzel verändern die Geometrie des Flügels gezielt, erhöhen so in bestimmten Flügelstellungen die Effektivität und führen zu einer gezielten Variation des erzeugten Auftriebs.

Soll die Biene vorwärts fliegen, wird die Geometrie so eingestellt, dass der Auftrieb in der hinteren Position der Flügelstellung größer ist als in der vorderen Position. Dadurch neigt sich der Körper nach vorne (Nick) und die Biene geht in den Vorwärtsflug. Ist die Geometrie so eingestellt, dass der rechte Flügel mehr Auftrieb erzeugt als der linke Flügel, rollt (Roll) die Biene um die Längsachse nach links und fliegt seitlich weg. Eine weitere Möglichkeit ist die Verstellung in der Art, dass ein Flügel vorne mehr Auftrieb erzeugt und der zweite Flügel hinten mehr Auftrieb erzeugt. Dadurch dreht (Gier) die Biene sich um die Hochachse.

Sicher und kollisionsfrei fliegen

Das autonome Verhalten des Bienenschwarms gelingt mithilfe eines Indoor-Lokalisierungssystems mit Ultra-Breitband-Technologie (UWB). Hierzu sind acht UWB-Anker auf zwei Ebenen im Raum installiert. Dadurch ist eine präzise Laufzeitmessung möglich und die Bienen können sich im Raum lokalisieren. Die UWB-Anker senden Signale an die einzelnen Bienen, die eigenständig die Abstände zu den jeweiligen Sendeelementen messen und anhand der Zeitstempel ihre eigene Position im Raum berechnen können.

Um im Schwarm zu fliegen, folgen die Bienen den von einem zentralen Rechner vorgegebenen Pfaden. Für den sicheren und kollisionsfreien Flug in enger Formation ist dabei eine hohe räumliche und zeitliche Genauigkeit notwendig. Bei der Bahnplanung muss auch die mögliche gegenseitige Interaktion durch Luftverwirbelungen (‚down-wash‘) berücksichtigt werden.

Da jede Biene in Handarbeit gebaut wird und schon kleinste Fertigungsunterschiede das Flugverhalten beeinflussen können, verfügen die Bienen darüber hinaus über eine automatische Kalibrierfunktion: Nach einem kurzen Testflug bestimmt jede Biene ihre individuell optimierten Reglerparameter. Die intelligente Algorithmik kann auf diesem Wege die Hardware-Unterschiede zwischen den einzelnen Bienen herausrechnen und so lässt sich der gesamte Schwarm von außen steuern, als wären alle Bienen identisch.