Drohne schwebt wie ein Vogel im Aufwind

Ob als fliegende Kameras, Transporteure, Forschungshelfer oder militärische Waffen: Drohnen und andere unbemannte Fluggeräte spielen heute eine immer wichtigere Rolle. Dank künstlicher Intelligenz und immer ausgereifterem Design finden sie ihre Routen autonom, können selbstständig Gebiete erkunden oder Hindernissen ausweichen. Selbst an widrige Wetterverhältnisse – und sogar die dünne Atmosphäre des Mars – sind moderne Drohnen angepasst.

Doch ein Manko hat die aktuelle Drohnentechnologie: Je nach Antrieb und Design haben die Fluggeräte verschiedene Nachteile. So sind Quadcopter und andere Drohnen mit Rotorantrieb beispielsweise sehr wendig, können in alle Richtungen fliegen und auf der Stelle schweben. Dafür verbraucht ihr Antrieb viel Energie, was ihre Reichweite begrenzt. Starrflügel-Drohnen sind dagegen energieeffizienter, aber weniger wendig und können nicht still in der Luft stehen.

Von den Flugtechniken der Vögel inspiriert

Jetzt haben Forscher einen Flugroboter entwickelt, der auch mit wenig Energieverbrauch in der Luft schweben kann. Vorbild für die „Floaty“ getaufte Drohne war die Flugtechnik von Vögeln, die sich effizient in der Luft halten, indem sie ihre Haltung an Windströmungen anpassen. So verändern beispielsweise viele Greifvögel den Anstellwinkel und die Form ihrer Flügel und Schwanzfedern, um auf thermischen Aufwinden zu gleiten oder wie der Turmfalke beim „Rütteln“ auf der Stelle zu stehen.

Nahaufnahme des Flugroboters Floaty. — © Elmkaiel et al./ npj Robotics, CC-by 4.0

Nach diesem Prinzip funktioniert auch der von einem Team um Ghadeer Elmkaiel vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Tübingen entwickelte Flugroboter. Wie seine Vogelvorbilder kann Floaty seine Form verändern und sich so an die Windverhältnisse anpassen. Seine vier verstellbaren Flügel generieren schon bei relativ schwachen Aufwinden genügend Auftrieb, um ihn in der Luft schweben zu lassen – ohne Rotoren oder einen anderen Motorantrieb.

So funktioniert „Floaty“

„Floaty ist ein passiv angetriebener Flugroboter, der die Lücke zwischen Starrflügel-Fluggeräten und rotorgetriebenen Drohnen schließt“, erklären die Forscher. Kernelemente des rund 340 Gramm leichten Flugroboters sind vier dünne, trapezförmige Flügel. Jeder dieser zweiteiligen, an Karbonfaserstäben befestigten Flügel kann mithilfe von kleinen Servomotoren seine Form und Neigung flexibel verändern: Er kann sich als Ganzes neigen oder in der Mitte abknicken und so verschiedene Flügelformen mit jeweils unterschiedlichen aerodynamischen Eigenschaften annehmen.

Gesteuert wird die Flügelform von einem lernfähigen Computermodell, das darauf trainiert wurde, Aufwinde optimal auszunutzen. Die Software passt die Flügelform des Flugroboters dadurch selbstständig und schnell an die jeweils herrschenden Windbedingungen an. Dadurch kann Floaty sein Gleichgewicht halten, selbst wenn ihn ein Windstoß oder Schubs seitlich wegschiebt – ganz ohne aktiven Antrieb und mit minimalem Energieverbrauch, wie das Team erklärt.

Schubsen im Windkanal

Wie robust und flexibel der Flugroboter in der Praxis ist, testeten Elmkaiel und sein Team in einem Windkanal, in dem ein Luftstrom mit bis zu zehn Metern pro Sekunde von unten wehte. Anfangs zeigte Floaty dabei einige Defizite und neigte dazu, umzukippen. Um dieses Problem zu beheben, senkten die Forscher den Schwerpunkt des Roboters ab und bauten einen Knick in die starren Klappen ein. Dadurch bleibt das Fluggerät nun stabil in der Luft und korrigiert sein Gleichgewicht automatisch.

„Floaty demonstriert eine hohe Resilienz gegenüber Schwankungen im Luftstrom“, berichten die Forscher. Selbst wenn Teile des Windgenerators abgedeckt werden, kann sich der Flugroboter noch in der Luft halten. Allerdings: Ganz ohne Aufwind funktioniert die Drohne nicht und bei zu starken Scherwinden driftet sie ab, wie das Team einräumt. Dennoch sehen sie die Vorteile ihres Flugroboters überall dort, wo es Aufwind gibt und wo besonders energieeffiziente und flexible Drohnen benötigt werden.

Anwendungsszenarien für Drohnen nach “Floaty“-Prinzip. — © Elmkaiel et al./ npj Robotics, CC-by 4.0

Anwendungen auch für hybride Drohnen

„Wir glauben, dass unsere Arbeit neue Wege für den Bau von Flugrobotern eröffnet, die effizienter und nachhaltiger sind“, sagt Elmkaiel. Anwendungen sieht das Team beispielsweise bei Drohnen, die Inspektionen in Fabrikschornsteinen durchführen oder Wetterballons steuern. Noch mehr Möglichkeiten könnte die Kombination von Floatys Schwebtechnik mit gängigen Drohnen bieten. Durch die beweglichen Flügel könnten dann beispielsweise Quadcopter die Fähigkeit erhalten, energieeffizienter zu schweben.

„Solche hybriden Designs würden einen geringen Stromverbrauch mit einer besseren Flugkontrolle verbinden“, erklären Elmkaiel und seine Kollegen. „Das würde den Betrieb von Drohnen über eine breitere Spanne von Windbedingungen und Anwendungsszenarien ermöglichen.“

Quelle: Ghadeer Elmkaiel (Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Tübingen) et al., npj Robotics, 2026; doi: 10.1038/s44182-026-00086-z