Die Drohnenentwicklung wird vogelkundig
Auch heute, mit dem Aufkommen von Drohnen und urbaner Luftmobilität, wenden wir den Blick wieder unseren gefiederten Freunden zu, die ja ursprünglich den Menschen zur Eroberung des Himmels inspirierten. „Vögel sind unübertroffen, wenn es darum geht, auf Sitzplätzen zu landen, bewegliche Ziele abzufangen und Zusammenstöße zu vermeiden – drei bedeutende Fähigkeiten, die für heutige Drohnentechnologien noch ungelöste Herausforderungen darstellen“, so Graham Taylor, Professor für mathematische Biologie an der Universität Oxford. Mit diesen natürlichen Fähigkeiten als Vorbild und der Unterstützung des EU-finanzierten Projekts HawkEye machte sich Taylor daran, zu untersuchen, wie Vögel ihren Flug mithilfe ihres Sehvermögens steuern und kontrollieren. „Unser Ziel war es, die Erkenntnisse darüber auf die Entwicklung von autonomen Flugsystemen anzuwenden“, ergänzt er.
Tierische Flugkunst und Big Data kombiniert
In einem Laborraum zur Bewegungserfassung, der eigens für diese Studie gebaut wurde, zeichnete das Projekt mehr als 20 000 Flüge von verschiedenen Vogelarten auf. „Dieses Projekt hat die Erforschung des Tierflugs nun endgültig in das Big-Data-Zeitalter gerückt“, merkt Taylor an. Um ihre Laborergebnisse im Feld zu validieren, entwickelten die Forschenden außerdem neue Verfahren in der Hochgeschwindigkeitsvideografie und der GNSS-basierten Datenerfassung. Mittels dieser neuen Techniken konnte das Team die Vogelbewegungen im Feld mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern erfassen. „Die Ergebnisse unserer Bewegungserfassungsstudien und Computersimulationen wurden anhand der Ergebnisse aus dem Feld validiert, die von Falken beim Fang von Moorhühnern in Schottland bis zu Habichten bei der Jagd auf Fledermausschwärme in New Mexico alles Mögliche umfassten“, erklärt Taylor.
Das Vogelverhalten aus mathematischer Sicht verstehen
Diese Kombination aus computergestützter und experimenteller Forschung lieferte die Grundlage für neue Erkenntnisse über das natürliche Flugverhalten. Die Forschenden haben nun nicht nur ein besseres Verständnis davon, wie Vögel auf Sitzplätzen landen, bewegliche Objekte abfangen und Zusammenstöße vermeiden. Sie fanden außerdem heraus, dass Vögel diese schwierigen Aufgaben mit bemerkenswerter Präzision modellieren – und sogar antizipieren – können. Neben der Frage, wie Vögel bestimmte Aufgaben bewältigen, beschäftigte sich das Projekt auch damit, warum sie diese Aufgaben auf eine bestimmte Weise ausführen. So kamen die Forschenden beispielsweise zu dem Schluss, dass Vögel beim Flug von einem Sitzplatz zum nächsten eine Sturzflugbahn annehmen, um die Entfernung zum Sitzplatz, ab welcher der Strömungsabriss gefährlich wird, zu minimieren. „Vor allem aber verstehen wir dieses Verhalten nun mathematisch, ebenso wie jemand aus der Steuerungstechnik das Fahrzeugführungssystem verstehen würde, das er konstruiert hat“, merkt Taylor an. „Das heißt, dass die von uns identifizierten Mechanismen nun in autonomen Systemen umgesetzt werden können.“
Ein paar echte Überraschungen
Wie jede wissenschaftliche Forschung stieß auch das Projekt HawkEye, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, mehr als einmal auf unerwartete Herausforderungen. Ein Teil davon war natürlich durch die COVID-19-Pandemie bedingt, doch auch die Feldforschung brachte ganz eigene Widrigkeiten mit sich – nicht zuletzt eine giftige Klapperschlange, die sich die Kameraausrüstung zum Sonnenbett auserkoren hatte. Doch die vielleicht größte Überraschung war wohl, dass das Projekt weit über die Entwicklung des autonomen Fliegens hinaus anwendbar ist. „Als ich mit diesem Vorhaben begann, sah ich die Anwendungsbereiche hauptsächlich auf dem Gebiet der autonomen Flugzeuge“, so Taylor abschließend. „Was ich nicht auf dem Radar hatte, waren einige der neu entstehenden Anwendungen der Forschung, die sich zum Beispiel damit beschäftigen, Zusammenstöße von Vögeln mit Windturbinen zu verhindern oder sie daran zu hindern, sich auf Strukturen niederzulassen.“ Taylor wird seine Forschung im Bereich der Flugzeugentwicklung fortsetzen. Daneben plant er, sich auch mit diesen neuen Anwendungsbereichen eingehender zu beschäftigen, zu denen auch die Erforschung des Erwerbs von Flugverhaltensweisen zählt, und hat dafür bereits Finanzmittel beantragt.
Schlüsselbegriffe
HawkEye, Vögel, Drohnen, autonome Flugsysteme, urbane Stadtmobilität, Flug, Big Data, GNSS, autonome Flüge, Flugzeugentwicklung
