Ein weicher Unterwasserroboter bewegt sich mit nur zwei Antrieben durch den dreidimensionalen Raum. Er kann aufsteigen, abtauchen, vorwärts und rückwärts schwimmen sowie seine Richtung verändern. Seine vier elastischen Flügel übernehmen dabei mehr als eine einzige Aufgabe. Der Laborprototyp zeigt, wie stark die Form eines Roboters seine Steuerung vereinfachen kann.
Ein Unterwasserroboter muss mehr beherrschen als die Bewegung geradeaus. Er soll eine Tiefe erreichen, seine Lage verändern und ein Ziel aus der passenden Richtung ansteuern können. Bei einer Kamera kann schon eine kleine unbeabsichtigte Drehung darüber entscheiden, ob das gewünschte Objekt im Blick bleibt. Jede zusätzliche Bewegungsmöglichkeit erhöht jedoch den Aufwand, wenn dafür ein eigener Antrieb samt Befestigung, Versorgung und Steuerung benötigt wird. Unter Wasser kommt hinzu, dass Bewegungen immer mit der umgebenden Flüssigkeit gekoppelt sind. Ein Flügelschlag erzeugt nicht nur eine unmittelbare Kraft, sondern verändert auch die Strömung, in der der nächste Schlag stattfindet. Genau diese Wechselwirkung kann zum Problem oder zum Teil der Lösung werden. Der neue Roboter nutzt einen weichen Körperbau, um mit wenigen Eingängen unterschiedliche Bewegungsabläufe hervorzubringen. Statt sämtliche Freiheitsgrade durch getrennte Motoren abzubilden, verlagert er einen Teil der Steuerungsaufgabe in seine mechanische Struktur.
Als biologisches Vorbild dienen Federsterne, wirbellose Meerestiere, die ihre beweglichen Arme koordiniert einsetzen können. Ein technischer Nachbau muss allerdings weder ihre gesamte Anatomie kopieren noch dieselben biologischen Steuerungsmechanismen besitzen. Häufig genügt es, ein funktionelles Prinzip zu übertragen: Welche Bewegungen erzeugen Vortrieb, welche ändern die Richtung, und welche lassen sich miteinander kombinieren? Für die technische Umsetzung zählt anschließend, ob diese Bewegungen mit wenigen Bauteilen zuverlässig ausgelöst werden können. Weiche Materialien bieten dabei besondere Möglichkeiten, weil sie Kräfte nicht nur übertragen, sondern Energie durch Verformung vorübergehend speichern und wieder abgeben. Ihre Form verändert sich zugleich während der Bewegung. Das kann eine Steuerung erschweren, lässt sich bei passender Auslegung aber auch gezielt ausnutzen. Die neue Entwicklung verbindet deshalb biologische Inspiration mit einer konstruktiven Frage: Wie viel Bewegungsvielfalt lässt sich bereits durch die Wahl von Geometrie, Elastizität und zeitlicher Ansteuerung erreichen, bevor zusätzliche Antriebe nötig werden?
Die North Carolina State University stellte den Prototyp am 7. Oktober 2026 vor. Der Unterwasserroboter trägt an seinem zentralen Körper vier elastische Flügel und zwei pneumatische Aktuatoren. Pneumatik bedeutet hier, dass Luftdruck die Bewegung antreibt. Die Flügel sind so gestaltet, dass sie nach einer Verformung in ihre Ausgangslage zurückkehren. Bei gemeinsamer Ansteuerung werden sie nach unten bewegt; nach dem Abschalten schnellen sie zurück. Wiederholt sich dieser Ablauf rasch, steigt der Roboter in der Wassersäule auf. Ohne Flügelschläge sinkt er ab. Eine langsamere Schlagfolge kann ihn auf einer Höhe halten. Die Bewegungsvielfalt entsteht somit nicht durch vier unabhängig angetriebene Flügel. Entscheidend ist die Verbindung weniger aktiver Eingriffe mit dem passiven Rückstellverhalten der Struktur. Dabei sind die weichen Bauteile keine bloße Verkleidung. Ihre elastischen Eigenschaften gehören unmittelbar zum Funktionsprinzip und bestimmen mit, wie sich der Druckimpuls in eine Bewegung des gesamten Roboters übersetzt.
Die zugehörige Arbeit in Science Advances zur dreidimensionalen Manövrierfähigkeit unterscheidet mehrere kombinierbare Betriebsarten. Wird nur ein Antrieb genutzt, entsteht eine Bewegung, die funktionell an den Vortrieb durch eine Fischflosse erinnert. Rascher Wechsel zwischen den beiden Eingängen kann eine Drehung hervorrufen. Zusammen mit dem Aufsteigen, Absinken und Halten der Tiefe kann der Unterwasserroboter damit im Raum navigieren. Im Versuch wurden eine maximale Geschwindigkeit von 1,64 Körperlängen pro Sekunde und eine maximale Drehgeschwindigkeit von 90 Grad pro Sekunde erreicht. Die erste Angabe setzt den zurückgelegten Weg zur Größe des Roboters ins Verhältnis. Sie darf nicht ohne dessen tatsächliche Länge in Meter pro Sekunde übersetzt werden. Ebenso beschreibt die Spitzendrehgeschwindigkeit nicht automatisch die Genauigkeit einer beliebigen Wendung. Die Messwerte zeigen Leistungsaspekte des Prototyps unter den untersuchten Bedingungen, während präzise Navigation zusätzlich von Rückmeldung und Regelung abhängt.
Der Ausdruck mechanische Intelligenz bezeichnet hier keine künstliche Intelligenz und auch kein selbstständig lernendes Programm. Gemeint ist, dass die Konstruktion einen Teil der gewünschten Reaktion bereits vorgibt. Ein elastischer Flügel muss beispielsweise nicht für jeden Abschnitt seiner Rückbewegung einen neuen Steuerbefehl erhalten, wenn seine Form und Spannung ihn von selbst in die Ausgangslage führen. Dadurch kann ein einfacher Eingang einen komplexeren Bewegungsablauf auslösen. Die Umgebung gehört ebenfalls zu diesem Prinzip, weil das Wasser auf die Bewegung zurückwirkt. Der Unterwasserroboter nutzt diese Wechselwirkung, anstatt sie ausschließlich durch zusätzliche Steuertechnik auszugleichen. Aus der geringeren Zahl an Antrieben folgt allerdings nicht, dass das gesamte System ohne Kontrolle auskommt. Unterschiedliche Bewegungsarten müssen weiterhin passend ausgewählt und zeitlich abgestimmt werden. Der Fortschritt betrifft die Aufteilung der Aufgaben zwischen Mechanik und Steuerung. Ein Teil dessen, was sonst durch zusätzliche aktive Komponenten erzeugt würde, entsteht durch die Eigenschaften der vorhandenen Struktur.
Ein Flügel beschleunigt beim Schlagen Wasser und erfährt dabei eine Gegenkraft. Wie groß diese Kraft ist und in welche Richtung sie wirkt, hängt nicht allein von der Geschwindigkeit des Flügels ab. Form, Verformung und die Bewegungen der benachbarten Flügel beeinflussen das Ergebnis. Dabei können Wirbel entstehen, die den Transport von Impuls sichtbar machen. Für einen Vergleich verschiedener Schwimmarten ist es deshalb sinnvoll, nicht nur den Weg des Roboters zu filmen, sondern auch das Wasser um ihn herum zu untersuchen. Die Forscher kombinierten dafür Strömungssimulationen mit experimentellen Messungen der Wasserbewegung. Solche Verfahren helfen zu erklären, weshalb ein bestimmter Ablauf eher Schub und ein anderer eher Drehung erzeugt. Auch beim Halten einer Position muss die Gesamtheit der Kräfte betrachtet werden. Gewicht, Auftrieb und der durch Flügelschläge erzeugte Beitrag müssen zusammenpassen. Ein stillstehender Roboter ist daher nicht zwangsläufig passiv: Er kann seine Position gerade durch fortlaufende, passend dosierte Bewegungen erhalten.
Das Team zeigte unter kontrollierten Bedingungen, dass sich der Unterwasserroboter mit einer Kamera für die Erkundung von Unterwasserbereichen einsetzen lässt. Außerdem wurden Gegenstände angehoben, sowohl mit einem einzelnen Gerät als auch durch das Zusammenwirken mehrerer Roboter. Solche Demonstrationen prüfen mehr als die reine Fortbewegung. Eine zusätzliche Nutzlast verändert Masse, Widerstand und möglicherweise die Lage des Schwerpunkts. Ein Schwimmer, der ohne Zusatzaufgabe gut funktioniert, muss sich mit einem Gegenstand deshalb nicht genauso verhalten. Für eine praktische Anwendung wäre außerdem wichtig, wie zuverlässig sich ein Ziel wiederholt erreichen und halten lässt. Die gezeigten Versuche belegen mögliche Funktionen des Entwurfs, aber noch keinen dauerhaften Betrieb in einem natürlichen Gewässer. Dort wären Strömungen, unregelmäßige Hindernisse und wechselnde Sichtbedingungen zu berücksichtigen. Auch eine flexible Bauweise ist nicht automatisch in jeder Umgebung schonend oder ausfallsicher. Solche Eigenschaften hängen vom konkreten Material, der Bewegung und der jeweiligen Aufgabe ab und müssten entsprechend überprüft werden.
Eine vollständig kabellose Version gehört nach Angaben des Teams zu den nächsten Entwicklungszielen. Dieser Punkt begrenzt die Aussage der zwei Antriebe: Die Zahl beschreibt die Aktuatoren im Bewegungsprinzip, nicht sämtliche Komponenten einer eigenständigen Unterwassermaschine. Eine autonome Ausführung bräuchte zusätzlich eine passende Energie- und Druckversorgung sowie die nötige Steuerung und möglicherweise Sensoren. Werden diese Bauteile integriert, verändern sie wiederum die mechanischen Bedingungen. Der Unterwasserroboter muss deshalb als vollständiges System geprüft werden. Interessant bleibt der Ansatz dennoch, weil er eine konkrete Alternative zu immer mehr Einzelantrieben zeigt. Vier bewegliche Flügel können durch wenige gezielte Eingriffe verschiedene Aufgaben übernehmen. Die entscheidende Frage für die Weiterentwicklung lautet somit nicht bloß, wie schnell sich der Roboter bewegt. Es geht darum, ob seine reduzierte Konstruktion auch mit eigener Versorgung, Nutzlast und Rückmeldung ihre Vorteile behält. Dann könnte aus dem anschaulichen Laborversuch eine vielseitige technische Plattform für begrenzte Unterwasseraufgaben werden.
Science Advances, Minimal-Actuation Feather Star-Inspired Soft Swimmers for Multimodal 3D Maneuverability; doi:10.1126/sciadv.aeg9211