Oarfish-Flossen-Anatomie inspiriert Design eines lautlosen Unterwasserroboters

Oarfish-Flossen inspirieren eine leisere Art von Unterwasserroboter

Als der Robotiker Rob Shepherd mit der Arbeit an einem großen Unterwasserroboter begann, der lautlos schwimmen sollte, um Meereslebewesen nicht zu erschrecken, suchte er an einem unerwarteten Ort nach Designhinweisen: beim Oarfish. Dieser mehrere Meter lange Fisch, der nur selten von Menschen angetroffen wird, bewegt sich mit einer bandartigen Rückenflosse durch das Wasser, die in Wellen schwingt. Dieses wellengetriebene Antriebssystem, vermutete Shepherd, könnte sich in Konstruktionsprinzipien für eine Maschine übertragen lassen, die gleitet statt zu peitschen.

Um den Fisch besser zu verstehen, kontaktierte Shepherd Willy Bemis, einen pensionierten Ichthyologen der Cornell University. Bemis, emeritierter Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie am College of Agriculture and Life Sciences, erinnerte sich, dass Shepherd ihn anrief und Interesse am Oarfish bekundete – und Bemis sagte ihm, das Interesse sei gegenseitig. Dieser kurze Austausch führte zu einer Zusammenarbeit, um die ungewöhnlichen Rückenflossenstrahlen des Oarfish zu untersuchen.

Eine Anatomie für den Wellenantrieb

Oarfish sind auffällige Tiere mit bandförmigen Körpern und weltweiter Verbreitung. Es sind nur zwei Arten anerkannt, und sie bewohnen Ozeane auf der ganzen Welt in Tiefen von bis zu etwa 1.000 Fuß (305 Meter). Sie sind riesig: Die größten Individuen werden schätzungsweise etwa 8 Meter oder fast 26 Fuß lang, was den Riesen-Oarfish zum längsten lebenden Knochenfisch macht. Trotzdem ernähren sich diese Giganten von winzigen Krebstieren statt von großer Beute.

Ihre Rückenflosse hebt sie von anderen ab. Sie enthält Hunderte von knochenartigen Skelettstrukturen, sogenannten Flossenstrahlen, die aus dem Rücken des Fisches herausragen. Diese Strahlen versteifen die Flosse nicht einfach; sie bewegen sich in einer koordinierten Abfolge und erzeugen Wellen entlang der Membran, die sie verbindet. Die wandernden Wellen treiben den Fisch voran. Das Ergebnis ist eine sanfte, kontinuierliche Form des Antriebs, die sich deutlich von den oszillierenden Schwänzen oder schlagenden Anhängen vieler anderer Fische unterscheidet.

• Zwei anerkannte Oarfish-Arten sind über die Weltmeere verbreitet.
• Sie können in Tiefen von bis zu etwa 305 Metern (1.000 Fuß) leben.
• Riesen-Oarfish können eine Länge von etwa 8 Metern erreichen und sind damit die längsten Knochenfische.
• Ihre Nahrung besteht aus kleinen Krebstieren.
• Hunderte von Rückenflossenstrahlen arbeiten zusammen, um Antriebswellen zu erzeugen.

Ein erster Blick auf joystickartige Flossenstrahlen

Eine neue Studie, die am 30. September in der Zeitschrift Ichthyology and Herpetology veröffentlicht wurde, liefert die erste Beschreibung der Anatomie und der Muskelreihe, die es jedem der Flossenstrahlen des Oarfish ermöglicht, sich unabhängig um einen vollen Kreis zu drehen. Die Bewegung wurde mit einem Joystick verglichen und verleiht dem Fisch eine präzise, multidirektionale Kontrolle über einzelne Strahlen – eine Fähigkeit, die erklärt, wie die Flosse so komplexe Wellen erzeugen kann.

Bemis ist der Seniorautor der Arbeit. Shepherd, der John F. Carr Professor of Mechanical Engineering am Cornell Duffield College of Engineering, ist Co-Autor. Gabriel Afonso, ein ehemaliger Gastforscher in Bemis' Labor, der jetzt Doktorand am Virginia Institute of Marine Science ist, ist der Erstautor.

Unabhängige Kontrolle auf der Ebene eines einzelnen Strahls

Die Fähigkeit jedes Strahls, sich um einen vollen Kreis zu drehen, bedeutet, dass die Flosse keine passive Fläche ist. Stattdessen ist sie ein aktiv gesteuertes Array aus Hunderten beweglicher Elemente. Durch Anpassung der Ausrichtung einzelner Strahlen kann der Fisch die Welle formen, die entlang der Flossenmembran wandert, und so den erzeugten Schub abstimmen. Für Ingenieure ist diese Art der verteilten, feinkörnigen Steuerung attraktiv: Sie deutet auf ein Antriebssystem hin, das ohne große, laute bewegliche Teile moduliert werden kann.

Warum Oarfish so schwer zu untersuchen sind

Vieles am Oarfish bleibt mysteriös, und die Schwierigkeit, sie zu untersuchen, ist ein Hauptgrund. Wenn die Fische sterben, zerfallen ihre Körper tendenziell in Segmente, sodass intakte Exemplare selten sind. Das macht anatomische Arbeit schwierig und erklärt, warum grundlegende Fragen zu ihren Flossenstrahlen so lange unbeantwortet blieben. Die detaillierte Darstellung der Flossenstrahlmuskulatur in der neuen Arbeit füllt daher eine bemerkenswerte Lücke.

Der tiefe Lebensraum der Tiere stellt ein weiteres Hindernis dar. Da sie Hunderte Fuß unter der Oberfläche leben, werden sie selten lebend beobachtet, und ihre Größe und Zerbrechlichkeit erschweren Bemühungen, sie zu sammeln oder zu untersuchen. Die Zusammenarbeit zwischen einem Robotiker und einem Ichthyologen bot einen Weg nach vorn: Technische Fragen zum Antrieb hoben anatomische Merkmale hervor, die nicht vollständig beschrieben waren, während die Biologie des Fisches ein natürliches Modell für den Roboter lieferte.

Vom Tiefseefisch zum Konstruktionsentwurf

Die Attraktivität des Oarfish für die Robotik liegt in seiner Lautlosigkeit. Ein großer Unterwasserroboter, der sich mit wandernden Wellen entlang einer flexiblen Flosse bewegt, könnte mit weniger abrupten, energiereichen Bewegungen arbeiten und die von ihm erzeugte Störung verringern. Das ist wichtig für Missionen, bei denen das Ziel darin besteht, Meeresleben zu beobachten, ohne dessen Verhalten zu verändern. Ein Fahrzeug, das mit einer kontinuierlichen, wellenartigen Bewegung durch das Wasser gleitet, könnte sich der Umgebung besser anpassen als eines, das von Propellern oder oszillierenden Flügeln angetrieben wird.

Der Oarfish zeigt auch, dass ein solches System in großem Maßstab funktionieren kann. Der Körper des Fisches kann mehrere Meter lang werden, und seine Flosse erzeugt durch das koordinierte Zusammenspiel von Hunderten von Strahlen immer noch effektiven Antrieb. Das legt nahe, dass das zugrunde liegende Prinzip hochskaliert werden kann, was für einen als groß beschriebenen Roboter relevant ist.

Was die Forschung für die Meeresrobotik bedeuten könnte

Die Studie präsentiert keinen fertigen Roboter; sie legt die anatomische Grundlage, die einen solchen informieren könnte. Indem die Forscher dokumentieren, wie jeder Flossenstrahl bemuskelt und gesteuert wird, geben sie Ingenieuren eine Vorlage an die Hand. Ein zukünftiges Fahrzeug könnte die Flossenstrahlen mit individuell betätigten Elementen nachahmen, die sich drehen, um eine Wanderwelle zu erzeugen. Ein solches Design könnte sowohl Tarnung als auch Manövrierfähigkeit bieten, sodass ein Roboter schweben, wenden oder beschleunigen kann, indem er die Welle umkonfiguriert, statt die Drehzahl eines Propellers zu ändern.

Es bleiben praktische Fragen zu klären. Hunderte unabhängig rotierender Elemente in ein Meeresfahrzeug einzubauen, würde robuste, kompakte Aktuatoren und ein Steuerungssystem erfordern, das sie koordinieren kann. Die Meeresumgebung ist korrosiv und unvorhersehbar, und eine flexible Flossenmembran muss wiederholtem Biegen standhalten. Doch das biologische System zeigt, dass diese Herausforderungen prinzipiell lösbar sind: Der Oarfish macht es seit Millionen von Jahren.

Ein Modellorganismus für lautlosen Antrieb

Die Forschung unterstreicht auch den Wert interdisziplinärer Arbeit. Shepherd brachte ein technisches Problem mit – wie man in großem Maßstab leise schwimmt –, und Bemis brachte jahrzehntelange ichthyologische Expertise mit. Ihre gemeinsame Anstrengung mit Afonso als Erstautor führte zu einer Beschreibung der Flossenstrahlanatomie, die gefehlt hatte. Es ist eine Erinnerung daran, dass einige der nützlichsten Designideen in Organismen verborgen sein können, die selten gesehen und schwer zu sammeln sind.

Vorerst bleibt die Flosse des Oarfish sowohl ein biologisches Rätsel als auch eine technische Inspiration. Während Robotiker nach Wegen suchen, den Ozean mit minimaler Störung zu erkunden, bieten die bandartige Flosse des Fisches und ihre Hunderte joystickartiger Strahlen ein überzeugendes Modell – eines, das schließlich großen Unterwasserrobotern helfen könnte, so lautlos zu schwimmen wie die Tiere, die sie beobachten sollen.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Lesen Sie den Originalartikel.