Fledermaus-ähnliche Landefähigkeiten von Echsen könnten in der Robotik eingesetzt werden

Forscher an der University of California, Berkeley und am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, Deutschland, haben gezeigt, wie Echsen ihre Schwänze nutzen, um in der Luft zu manövrieren. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihnen, sich zu korrigieren, wenn sie fallen, nachdem sie ihren Griff verloren haben, und sie kann auch dazu beitragen, sie über die Oberfläche eines Teichs zu katapultieren.

Die Ergebnisse werden diese Woche in der Zeitschrift Nature Communications Biology veröffentlicht.

Diese Techniken sind in der Robotik sehr nützlich und werden bereits in echsenähnlichen Robotern eingesetzt.

Überraschende Erkenntnisse über Echsen

Robert Full ist Professor für integrative Biologie an der UC Berkeley und Adria Jusufi ist Mitglied der Max-Planck-Forschungsgruppe für Intelligente Systeme und ehemaliger Doktorand an der UC Berkeley. Die beiden haben eine wichtige und überraschende neue Entdeckung gemacht, dass Echsen auch ihre Schwänze nutzen, um sich zu erholen, wenn sie mit dem Kopf voran in einen Baum stürzen.

Kopfüber-Stürze sind bei Echsen ziemlich häufig und Jusufi hat dies mit Hochgeschwindigkeitskameras dokumentiert.

“Das Beobachten der Echsen aus der Höhe des Regenwaldes war aufschlussreich. Bevor sie absprangen, bewegten sie ihren Kopf auf und ab und von Seite zu Seite, um das Landeziel vor dem Sprung zu schätzen, als ob sie die Reisedistanz abschätzen wollten”, sagte Jusufi.

Die Videos zeigen, dass die Echse, in diesem Fall die gewöhnliche asiatische flachschwänzige Haus-Echse, den Stamm mit ihren gekrallten und gepolsterten Zehen ergreift, wenn sie frontal mit dem Baum kollidiert. Dies hilft ihrem Kopf und ihren Schultern, zurückzuprallen, und die Echse hat die Hebelwirkung, um ihren Schwanz gegen den Stamm zu drücken, was verhindert, dass sie rückwärts kippt.

“Weit davon entfernt, zu stagnieren, beschleunigen einige dieser Echsen noch immer, wenn sie aufprallen”, sagte Jusufi. “Sie stürzen kopfüber, neigen sich extrem nach hinten und bilden einen Winkel von 90 Grad zum Baum – sie sehen aus wie ein Buchständer, der vom Baum absteht – und sind nur noch mit ihren Hinterbeinen und ihrem Schwanz verankert, während sie die Aufprallenergie abbauen. Da der Fallarrest-Reflex so schnell eintritt, kann nur eine Langsam-Bewegungs-Aufnahme den zugrunde liegenden Mechanismus enthüllen.”

Laut den Wissenschaftlern könnten auch andere kleine und leichte springende Tiere wie Echsen diese Techniken nutzen.

“Sie könnten längere Gleitflüge haben, die mehr mit dem Gleichgewicht zu tun haben, und sie landen anders, aber wenn sie zum Beispiel versuchen, zu entkommen, wählen sie dieses Verhalten, teilweise weil Größe wichtig ist”, sagte Full. “Wenn man so klein ist, hat man Optionen, die für größere Dinge keine Lösungen sind. Also ist dies eine körpervermittelte Lösung, die man nicht hat, wenn man größer ist.”

Strukturen, die denen der Echsen-Schwänze ähneln, könnten verwendet werden, um fliegende Roboter wie Drohnen zu stabilisieren und ihnen das Landen auf vertikalen Oberflächen zu ermöglichen.

Die Forscher sind die ersten, die dieses Verhalten dokumentieren, mathematisch modellieren und in einem weichen Roboter reproduzieren.

“Exaptationen sind Strukturen, die für viele Verhaltensweisen genutzt werden, egal, wofür sie ursprünglich evolviert sind, und hier ist eine, die man nicht erwarten würde”, sagte Full. “Man kann sehen, wie diese unglaubliche Fähigkeit, robust zu sein, es ermöglicht, diese Exaptationen zu nutzen.”

“Bis vor kurzem haben Schwänze nicht so viel Aufmerksamkeit erhalten wie Beine oder Flügel, aber die Leute realisieren jetzt, dass man diese Tiere als fünfbeinig betrachten sollte – pentapedal”, sagte Jusufi.

Laut Full fügen Roboter-Ingenieure ihren Robotern immer mehr Funktionen hinzu und lernen, dass sie für jede Fähigkeit ein neues Teil hinzufügen können.

“Wenn wir unsere Roboter und physikalischen Systeme weiterentwickeln, wollen alle Ingenieure mehr Dinge tun. Und raten Sie mal? Irgendwann kann man einen Roboter nicht für alles optimieren”, sagte er. “Man muss Dinge für andere Verhaltensweisen nutzen, um diese Verhaltensweisen zu erhalten.”

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Den Roboter bauen

Die Forscher bauten einen Schwanz-Roboter, nachdem sie seine Teile mit dem Carbon M2, einem hochmodernen 3D-Drucker, der speziell für weiche Strukturen konzipiert ist, hergestellt hatten. Die Füße waren mit Velcro ausgestattet, so dass sie bei Kontakt haften konnten, und der Schwanz hatte einen Mechanismus, der ihn nach unten drücken würde, wenn die Vorderbeine eine Oberfläche trafen und rutschten.

Der Schwanz-Roboter zeigte ähnlichen Erfolg bei harten Landungen. In der Natur landen Echsen mit Schwänzen erfolgreich auf vertikalen Oberflächen ohne zu fallen 87% der Zeit. Schwanzlose Roboter haben eine Erfolgsrate von 15% bei Landungen in Tests gezeigt, aber der neue Schwanz-Roboter konnte 55% der Zeit in Tests landen.

Die Forscher fanden auch heraus, dass Roboter mit Schwänzen, die halb so lang sind wie der Kopf und der Körper zusammen, fast so erfolgreich waren wie längere, die die Länge des Kopfes und des Körpers hatten. Sie fanden auch heraus, dass kurzschwänzige Roboter doppelt so viel Fußkraft benötigten, um am Baum zu haften.

Das Team wird weiterhin Echsen studieren und nach neuen Prinzipien suchen, die auf Roboter, insbesondere weiche Roboter auf vertikalen Oberflächen, angewendet werden können.

“Evolution ist nicht um Optimierung und Perfektion bemüht, sondern vielmehr um ausreichende Lösungen”, sagte Full. “Die gerade-gut-genug-Lösung spielt wirklich eine Rolle bei der Bereitstellung von Fähigkeiten, so dass man in herausfordernden Umgebungen viel robuster ist. Evolution sieht eher wie ein Bastler aus, der nie wirklich weiß, was er produzieren wird, und alles, was er zur Verfügung hat, nutzt, um etwas Machbares zu schaffen.”

“Kleine baumlebende Tiere ohne offensichtliche morphologische Anpassungen für den Flug werden immer wieder entdeckt, um überraschende Fähigkeiten für Manöver in der Luft zu zeigen. Weiche robotische physikalische Modelle können helfen, die Kontrolle solcher mechanisch vermittelter Lösungen für das Landen zu entschlüsseln”, sagte Jusufi.