Die Eigenschaften von Lianen, Wein und Efeu wollen Freiburger und internationale Forscher auf intelligente Maschinen anwenden. Das könnte bei Ausgrabungen, Katastrophenrettungen und auch in der Raumfahrt nützlich sein.
Freiburg - Lianen können tückisch sein. Nicht nur, weil sie oft regelrechte Labyrinthe bilden, die das Vorankommen in tropischen Regenwäldern erschweren. Manche Arten sind auch mit gefährlich scharfen Haken ausgerüstet. „Die können einem die Haut aufreißen, wenn man daran hängen bleibt“, sagt Thomas Speck von der Universität Freiburg. Der Botaniker erinnert sich noch gut an die schweren Verletzungen am Ohr, die einer seiner Kollegen im Regenwald von Französisch-Guyana davongetragen hat. Dabei sind die pflanzlichen Krallen gar nicht als Waffe gedacht, sondern als Hilfe beim Erklimmen von Baumstämmen.
Projekt „Growbot“
Die Tricks, mit denen Lianen und Co. die verschiedensten Oberflächen hinaufklettern können, faszinieren Thomas Speck seit Jahren. Denn der Leiter der Forschungsgruppe für Pflanzen-Biomechanik hat eine Vision: Zusammen mit einem internationalen Team von Botanikern, Robotikspezialisten, Mathematikern, Informatikern und Materialwissenschaftlern will er einen Roboter konstruieren, der sich wie eine Kletterpflanze verhält und fortbewegt. „Growbot“ nennt sich das ehrgeizige Projekt, das die EU-Kommission in den nächsten vier Jahren mit rund sieben Millionen finanziert.
Die Idee, sich beim Bau von Robotern an der Natur zu orientieren, ist an sich nicht neu. Allerdings haben sich die Konstrukteure dabei bisher vor allem Tiere zum Vorbild genommen. Es gibt Maschinen, die so sensibel zugreifen wie Krakenarme, die so energieeffizient springen wie Kängurus oder die sich wie eine Kakerlake noch in die kleinsten Ritzen zwängen.
Roboter nach Pflanzenvorbild
Pflanzen haben bisher kaum Modell für Roboter gestanden. „Tatsächlich sind sie sehr viel in Bewegung“, sagt Speck. „Das nehmen wir nur nicht so wahr, weil sie nicht in unserem Tempo unterwegs sind.“ So können fleischfressende Arten wie die Venusfliegenfalle in Sekundenbruchteilen zuschnappen, ohne dass unsere Augen ihnen folgen könnten. Wachsende Pflanzen dagegen bewegen sich viel zu langsam für die menschliche Wahrnehmung.
Da sie kein Gehirn besitzen, werden ihre Bewegungen nicht zentral gesteuert. Wenn Wurzeln oder Blätter einen Reiz wahrnehmen, müssen sie vielmehr direkt darauf regieren. Das kann man bei Erbsen oder Bohnen gut beobachten. „Wenn deren Ranken einen Kontakt zu einem Zweig registrieren, beginnen sie sich in einer Spirale darum zu wickeln“, sagt Speck. Dadurch können sie an jeder beliebigen Kletterhilfe nach oben wachsen. Und zwar Stück für Stück, ohne ihre Route vorher schon festgelegt zu haben. „Nach diesem Vorbild wollen wir Roboter entwickeln, die nicht ferngesteuert werden müssen“, erklärt der Freiburger Forscher.
Flexibel auf Bedingungen reagieren
Eine der Pionierinnen auf dem Gebiet ist die Koordinatorin von „Growbot“. Barbara Mazzolai vom Istituto Italiano di Tecnologia in Pontedera in der Toskana und ihre Kollegen haben 2012 mit „Plantoid“ den weltweit ersten Pflanzenroboter vorgestellt, der sich wie eine wachsende Wurzel bewegt. Anfang 2019 legten sie im Fachjournal „Nature Communications“ mit einer künstlichen Ranke nach. Und nun haben sie sich zusammen mit Kollegen aus Italien, Deutschland, Frankreich, Israel und Spanien den Geheimnissen der Kletterpflanzen zugewandt. Im Fokus stehen dabei auch europäische Arten wie Efeu und Wilder Wein. Sie klettern mit verschiedenen Methoden. „Dabei müssen sie sehr flexibel auf die vor Ort vorhandenen Befestigungsmöglichkeiten reagieren“, erklärt Speck.
„Heutige Kletterroboter sind mit solchen Herausforderungen dagegen oft überfordert“, sagt er. Sie könnten zwar durchaus einen Baum erklimmen. Wie aber kommen sie dann zum nächsten, wenn dessen Äste ein paar Meter entfernt sind? Meistens gar nicht. Der „Growbot“ aber soll genau diese Art von Kunststücken beherrschen – und zwar ohne dass man ihm per Fernsteuerung den richtigen Weg zeigen muss.
3-D-Drucker, Fadendrüse und Sensoren
Der Körper des Roboters soll aus einem kleinen 3-D-Drucker bestehen, der mit Sensoren für optische Reize und Berührungen ausgerüstet ist. Wie eine Liane auf der Suche nach einem Kletterbaum wird er damit seine nähere Umgebung analysieren. Hat er eine geeignete Anheftungsstelle entdeckt, sprüht er aus einer Düse einen Faden dorthin. Wenn dieser trocknet oder von UV-Licht beschienen wird, windet er sich zu einer Spirale zusammen – und zieht dabei den Drucker zu sich heran.
„Man muss ihm über das Satellitennavigationssystem GPS nur das Ziel einprogrammieren, das er ansteuern soll“, erklärt Speck. „Dann wird er selbstständig seine Umgebung scannen und sich Stück für Stück den besten Weg dorthin suchen.“ Dabei soll „Growbot“ sogar ein paar Schritte vorausplanen und mehrere Optionen gegeneinander abwägen. So kann er sich dann für jene Route entscheiden, bei der er am wenigsten Material für seine Haftfäden braucht. Dabei soll er aber auch nicht unbedingt den nächstgelegenen Punkt ansteuern, wenn er von da vielleicht schlecht weiterkommt.
Für Ausgrabungen in unterirdischen Hohlräumen
Damit die Fäden den Drucker auch zu sich heranziehen können, muss er relativ klein und leicht sein. Für den Anfang denken die Forscher an die Größe eines Schuhkartons und ein Gewicht von 700 Gramm, später sollen kleinere Versionen möglich sein, die die Dimensionen einer Zigarettenschachtel erreichen. Aussehen soll „Growbot“ wie ein länglicher Zylinder, damit er sich auch gut durch Gänge und Labyrinthe bewegen kann.
Archäologen könnten ihn zum Beispiel vor einer Ausgrabung in die unterirdischen Hohlräume längst verfallener Städte schicken, damit er mit seinen Kameras dort Bilder macht. Oder er kann nach Naturkatastrophen zu Verschütteten vordringen, um dort die Lage zu erkunden. Und da man ihn mit den verschiedensten Messgeräten ausrüsten kann, ist er auch für die Raumfahrt interessant. Werden also eines Tages künstliche Lianen ins All starten? Noch klingt das alles ein bisschen nach Science-Fiction, doch Thomas Speck ist optimistisch, dass der erste Prototyp von „Growbot“ schon in zwei bis drei Jahren auf Klettertour gehen kann.
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