Ingenieure der University of California, Riverside (UCR) haben wichtige Erkenntnisse über die Art und Weise, wie Stachelrochen schwimmen, gewonnen und gezeigt, dass ihre wellenförmigen Bewegungen nicht nur der Show dienen – sie sind eine raffinierte Anpassung, um die Stabilität in anspruchsvollen Unterwasserumgebungen aufrechtzuerhalten. Eine speziell angefertigte Roboterflosse, die die Fortbewegung von Rochen nachahmen soll, wurde in kontrollierten Wassertunneln getestet und führte zu dem überraschenden Ergebnis, dass Rochen in der Nähe des Meeresbodens den nach unten gerichteten Kräften aktiv entgegenwirken, indem sie ihre Flossen subtil nach oben neigen.
Die Entwicklung der Rochenbewegung
Stachelrochen zeigen je nach Lebensraum unterschiedliche Schwimmstile. Während pelagische (im offenen Ozean lebende) Rochen mit Schlagbewegungen gleiten, nutzen benthische (am Boden lebende) Rochen eine wellenartige Wellenbewegung, die sich an die Meeresbodenströmungen anpasst. Dieser wellenförmige Stil ist besonders effizient, da er Energie aus dem Wasser recycelt, um den Luftwiderstand zu verringern. Die Forscher vermuteten, dass diese Divergenz eine evolutionäre Reaktion auf die Physik verschiedener Umgebungen sei, eine Theorie, die sie beweisen wollten.
Das Roboterflossen-Experiment
Um ihre Hypothese zu testen, entwickelte das UCR-Team eine 9,5 Millimeter dicke Roboterflosse aus Silikon und tauchte sie in einen speziellen Wassertunnel, der die Meeresströmung simuliert. Ziel war es zu beobachten, wie sich der Auftrieb in unterschiedlichen Tiefen auf die Flosse auswirkt. Unerwartet erfuhr die Flosse in der Nähe des Meeresbodens einen Abwärts -Zug – das Gegenteil von dem, was vorhergesagt wurde.
Durch die Anpassung des Winkels der Flosse stellten sie fest, dass eine Neigung nach oben um nur wenige Grad den negativen Auftrieb neutralisierte. Dies deutet darauf hin, dass natürliche Stachelrochen instinktiv mit einem leicht nach oben gerichteten Flossenwinkel schwimmen, wodurch sie den Druck überwinden können, der sie in Richtung Meeresboden drückt. Die wellenförmige Bewegung sorgte auch immer für einen größeren Abstand zum Meeresboden als das Flattern, was ihre Wirksamkeit in benthischen Umgebungen verstärkte.
Implikationen für die Robotik und darüber hinaus
Diese Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Konstruktion von Unterwasserfahrzeugen. Die Prinzipien des Stachelrochenschwimmens könnten zu energieeffizienteren und verstohleneren Robotern führen. Forscher erforschen diese Möglichkeiten bereits. Frühere Arbeiten umfassen gewebebasierte und biohybride Roboter, die von Herzzellen, Elektroden oder sogar Rattenmuskeln angetrieben werden. Das ultimative Ziel besteht darin, Tauchfahrzeuge zu entwickeln, die die natürliche Effizienz und den leisen Betrieb eines Rochens nachahmen.
„Die Natur scheint das Problem bereits gelöst zu haben“, sagte Yuanhang Zhu, ein UCR-Maschinenbauingenieur. Dies unterstreicht die anhaltende Relevanz biologischer Systeme als Blaupausen für zukünftige Technologien.
Die Studie zeigt, wie die Evolution Lösungen für physikalische Herausforderungen optimiert und wie das Verständnis dieser Lösungen Innovationen in der Robotik und Unterwassertechnik vorantreiben kann.
