Putzhilfen, Pflege-Assistenten, Rasenmäher – im Alltag kommen immer mehr Roboter zum Einsatz. Künftig sollen sie besser laufen können – dank tierischer Technik.
Wenn das Tier Tempo aufnimmt, können ihm wenige andere folgen: Trotz seiner bis zu 100 Kilogramm Körpergewicht rennt der Vogel Strauß kraftvoll und grazil mit einer Geschwindigkeit von bis zu 55 Kilometern pro Stunde durch die Savannen Südafrikas. Forscher in Stuttgart und im kalifornischen Irvine haben nun untersucht, wie genau der schwere Riesenvogel zu einem gleichermaßen eleganten wie schnellen Läufer geworden ist. Von diesen Erkenntnissen profitiert der Bau neuartiger Roboter. So entstand der „Birdbot“ – mit einem Roboterbein, dessen Konstruktion dem Bauplan der Natur folgt.
Lesen Sie aus unserem Plus-Angebot: Der Stuttgarter Robotik-Revolutionär
Zu Beginn lautet die entscheidende Frage für die Wissenschaftler: könnte ein Roboterbein, das einem Vogel nachempfunden ist, effizienter funktionieren als ein dem menschlichen Bein nachempfundenes Bein? Seit mehr als fünf Jahren forscht Alexander Badri-Spröwitz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart an dieser Frage. Seine Forschungsgruppe arbeitet an der Schnittstelle von Biologie und Robotik, sie konzentriert sich auf die dynamische Fortbewegung von Tieren und Robotern.
Manche Vögel schlafen sogar im Stehen
Die Wissenschaftler fragten sich im konkreten Fall zunächst, worin die Unterschiede in der Fortbewegung zwischen Mensch und Laufvogel bestehen. Menschen ziehen beim Gehen den Fuß hoch und beugen das Knie – der Fuß und die Zehen zeigen dabei nahezu unverändert nach vorne. Bei Vögeln ist das anders: In der Schwungphase klappen die Vögel ihre Füße nach hinten weg. „Wir sehen, dass ein Netzwerk aus Muskeln und Sehnen, das sich über mehrere Gelenke hinweg erstreckt, bei Vögeln eine mechanische Kopplung ermöglicht“, sagt Badri-Spröwitz.
Dieser Seilzug aus Muskeln und Sehnen bietet den Vögeln Effizienzvorteile – die Wissenschaftler nehmen an, dass ein Vogel Strauß deshalb nicht nur schnell rennen kann, sondern auch mühelos steht. Dem Vogel macht seine geknickte Beinstruktur nichts aus – manche Vögel können sogar im Stehen schlafen. Ein Mensch, der rund 100 Kilogramm wiegt, kann zwar aufrecht mühelos stehen – würde er jedoch leicht in die Hocke gehen, so hielte er diese Position nicht lange durch. Was folgt aus dieser Erkenntnis für die Konstruktion eines Roboter-Vogelbeins – für einen „Birdbot“?
Der Robovogel wird auf dem Laufband getestet
Die Wissenschaftler entwickelten das Roboterbein mit einem Feder-Seilzug im Gelenk – der Fuß kommt ohne Motor aus. Den fertigen „Birdbot“ schickten die Wissenschaftler dorthin, wo auch Hobbysportler ihre neuen Schuhe testen: aufs Laufband. Dort beobachteten Alexander Badri-Spröwitz und seine Kollegen, wie der Fuß des Roboters beim Gehen ein- und ausklappt. „Die Fuß- und Beingelenke kommen in der Standphase ohne Motoren aus“, sagt Alborz Aghamaleki Sarvestani aus der Stuttgarter Forschergruppe. „Die Kraft kommt stattdessen aus der Feder und die Koordination aus dem mehrgelenkigen Seilzugmechanismus.“ Der konkrete Vorteil: „Birdbot“ benötigt im Vergleich zu früheren Modellen von Laufrobotern nur ein Viertel der Energie.
Im Laufe der Evolution hat sich das tierische Bein bewährt: Der Tyrannosaurus Rex hatte vor rund 66 Millionen Jahren eine ganz ähnliche Beinstruktur wie der heutige Vogel Strauß. Ein Gütesiegel der Natur.
Perlhühner, die über Schlaglöcher laufen
An der University of California erkannte Monica Daley, dass ein Vogelbein neben seiner effizienten Funktionsweise einen weiteren Vorteil besitzt. In Experimenten mit Perlhühnern, die über zugedeckte Schlaglöcher laufen, wies sie nach, dass die Tiere selten stolpern und sich verletzen, wenn sie auf Hindernisse treffen. In das System der Fortbewegung ist eine sogenannte „morphologische Intelligenz“ eingebaut: Das Tier kann schnell reagieren, ohne darüber nachdenken zu müssen. Daleys Arbeit an Laufvögeln belegt, dass dieser Vorgang rascher funktioniert als es das Nervensystem der Tiere eigentlich zulässt. „Denn die Sensorik und die Reizweiterleitung kosten Zeit“, so Daley.
Lesen Sie aus unserem Plus-Angebot: Roboter sollen uns helfen
Die Wissenschaftler ziehen daraus den Schluss, dass die Mechanik einen wesentlichen Beitrag leistet. Beim „Birdbot“ haben die Forscher Erkenntnisse aus Stuttgart und Kalifornien zusammengefasst und das physikalische Modell des Roboterbeins entsprechend gebaut. In der Laufbandanalyse zeigt sich, wie das Bein bei Unebenheiten im Boden mechanisch umschaltet – ohne jegliche Zeitverzögerung. Dadurch kann sich der Roboter auch auf einem komplexen Untergrund robust und sicher fortbewegen.
Vorbild Tyrannosaurus Rex
Das deutsch-amerikanische Forscherteam hat seine Analysen im Fachmagazin „Science Robotics“ veröffentlicht. Profitieren könnten davon auch die Hersteller von Robotern in der Industrie, die neue Generationen von Robotern entwickeln – egal ob es sich dabei um Apparate im Maßstab einer Wachtel oder eher eines Tyrannosaurus Rex handelt: Theoretisch könnten meterhohe Beine gebaut werden, die sich leichter und sicherer fortbewegen.
Info: Gelenkig wie Spinnen
Antriebstechnik Nicht nur Vögel inspirieren Forscher, wenn es um die Weiterentwicklung von Antriebstechniken von Robotern geht: Wissenschaftler aus Stuttgart und der amerikanischen University of Colorado Boulder entwickelten ein neuartiges Spinnengelenk. Gelenkroboter lasse sich dadurch sehr gut bewegen, da ihre Beine ohne sperrige Komponenten auskommen, die den Roboter beschweren und langsamer machen.
Fähigkeiten Die leichten Gelenkstrukturen ermöglichen es, dass sie den Roboter um das Zehnfache seiner Größe hochkatapultieren können. Wissenschaftler statten nicht nur die „Beinstruktur“ von Robotern mit diesen Gelenken aus – mit ihnen lässt sich zudem eine Greifhand mit drei Fingerelementen bauen.