Laser-Schutzbrille ermöglicht Flug-Analyse

"Obi" hebt zum Testflug mit Schutzbrille ab. (Foto: Eric Gutierrez)

Mit Mini-Schutzbrille flattert Sperlingspapagei "Obi" durchs Analyse-Aerosol im scharfen Laser-Licht: Dieses clevere Forschungs-Konzept hat neue Einblicke in die komplexe Aerodynamik des Vogelflugs ermöglicht. Detaillierteres Wissen über die Natur-Patente der gefiederten Luft-Akrobaten könnte die Entwicklung von geflügelten Flug-Robotern voranbringen, sagen die Forscher.

In Jahrmillionen der Evolution haben sie ihre aerodynamischen Konzepte optimiert - es lohnt sich also bei den Vögeln abzuschauen. Entsprechend waren sie auch von Anfang an  das große Vorbild bei der Entwicklung der menschlichen Flugtechnik. Wie sie ihren Auftrieb in der Luft erzeugen, müsste mittlerweile genau geklärt sein, könnte man meinen. Doch offenbar lassen sich mit raffinierten Analyseverfahren noch weitere Details  aufdecken, wie die Forscher um David Lentink von der Stanford University nun zeigen konnten.

Wie schützt man die Augen gefiederter Probanden?

Durch moderne Laser-Technik lassen sich aerodynamische Prozesse detailliert erfassen – jedenfalls bei technischen Geräten: Dabei bewegt sich das Flugobjekt durch eine von Laserlicht durchflutete Luftmasse, in der winzige Partikel schweben. In dem scharfen Licht sind die Bewegungen der Aerosole im Luftstrom exakt erfassbar. Somit sind Rückschlüsse möglich, welche Muster der Luftverwirbelung das Objekt auslöst. Zur Analyse des Vogelflugs schien diese Methode allerdings bisher nicht geeignet. Das Problem: Wie soll man die empfindlichen Augen der Tiere vor dem Laserlicht schützen?

Lentink und seine Kollegen haben nun eine Lösung entwickelt: Eine winzige Brille schützt die Augen ihrer gefiederten Probanden. Sie wird am Kopf des Vogels durch flexible Haltebänder fixiert. Die Linsen bestehen aus Material, das von menschlichen Laser-Schutzbrillen stammt. Diese kombinierten die Forscher mit Augenschalen, die sie im 3D-Druck Verfahren extra für die Vogelaugen anpassten. Zusätzlich befinden sich seitlich an der Brille Reflektoren, die eine leichtere Erfassung der Geschwindigkeit des Vogels im Flug ermöglichen.

Wie die Forscher berichten, lassen sich die Tiere an diesen Aufsatz durchaus gewöhnen und so sind sie schließlich bereit, damit auf Kommando zu fliegen. Bei den gefiederten Probanden handelte es sich um Sperlingspapageien – besonders kleine Vertreter aus der Familie der Papageienvögel. Der Star im Versuchslabor war den Forschern zufolge der offenbar besonders kooperationsfreudige Vogel namens "Obi".

Modelle müssen überarbeitet werden

Durch die Brille geschützt, flatterte Obi auf Kommando durch die mit harmlosem Analyse-Aerosol geschwängerte Luft im Versuchsraum. Das Lasersystem ließ diese Partikel dabei erstrahlen und so konnten die Forscher deren Bewegungen durch Filmaufnahmen exakt erfassen und schließlich auswerten. "Unser Ziel war dabei, bisher übliche Modelle zu überprüfen, die beschreiben, wie viel Auftrieb ein Vogel oder fliegendes Tier erzeugt", sagt Co-Autorin Diana Chin.

"Was wir herausgefunden haben ist, dass die Modelle sehr ungenau sind, da sie auf Annahmen basieren, die nicht unbedingt zutreffen", sagt Chin. Den Forschern zufolge sind die Luftverwirbelungen nämlich deutlich komplexer als gedacht. Die bisherigen Modelle können deshalb den tatsächlichen Auftrieb, den ein flatternder Sperlingspapagei erzeugt, nicht korrekt wiedergeben.

"Um Roboter-Flügel zu verbessern, orientieren sich Wissenschaftler oft an Informationen zum tierischen Flugverhalten aus der Literatur", sagt Lentink. "Wir haben nun gezeigt, dass die Berechnungsansätze nicht so zuverlässig sind, wie man sich in der Community erhofft. Wir brauchen deshalb nun neue Studien und neue Methoden, die diesem Designprozess als verlässliche Grundlage dienen können", so der Wissenschaftler. Er und seine Kollegen hoffen, dass ihre Methoden dabei hilfreich sein können.

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