Würmer, Federn und weiche Roboter: Winzige Lebewesen inspirieren zu riesigen Sprüngen

Forscher am Georgia Tech haben kürzlich enthüllte eine beeindruckende Leistung: Ein 5 cm langer Softroboter, der sich ohne Beine 10 Meter hoch katapultieren kann – die Höhe eines Basketballkorbs. Das Design wurde vom Fadenwurm inspiriert, einem winzigen Spulwurm, der dünner als ein menschliches Haar ist und ein Vielfaches seiner Körperlänge springen kann. 

Indem der Wurm seinen Körper in enge Knicke zwängt, speichert er elastische Energie und gibt sie dann plötzlich wieder frei. Dabei schleudert er sich wie ein akrobatischer Turner himmelwärts oder rückwärts. Die Ingenieure ahmten diese Bewegung nach. Ihr Roboter „SoftJM“ besteht im Wesentlichen aus einem flexiblen Silikonstab mit einem steifen Rückgrat aus Kohlefaser. Je nachdem, wie er sich biegt, kann er vorwärts oder rückwärts springen – obwohl er weder Räder noch Beine hat.

Im Einsatz rollt sich der von Fadenwürmern inspirierte Roboter ähnlich wie ein Mensch in der Hocke zusammen und streckt sich dann explosionsartig zum Sprung. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeigt, wie der Wurm seinen Kopf nach oben wölbt und in der Körpermitte knickt, um rückwärts zu hüpfen, sich dann wieder aufrichtet und den Schwanz knickt, um vorwärts zu springen. 

Das Team des Georgia Tech fand heraus, dass diese engen Biegungen – normalerweise ein Problem bei Schläuchen oder Kabeln – dem Wurm und dem Roboter tatsächlich ermöglichen, deutlich mehr Energie zu speichern. Wie ein Forscher bemerkte, sind geknickte Strohhalme oder Schläuche nutzlos, aber ein geknickter Wurm wirkt wie eine gespannte Feder. Im Labor konnte der weiche Roboter reproduziert Dieser Trick: Es „klemmt“ seine Mitte oder seinen Schwanz ein, spannt sich an und lässt dann in einem Stoß (etwa eine Zehntel Millisekunde) los, um in die Luft zu steigen.

Soft-Roboter auf dem Vormarsch

Soft Robotics ist ein junges, aber schnell wachsendes Forschungsfeld, das sich oft an der Natur orientiert. Im Gegensatz zu starren Metallmaschinen bestehen Soft Robots aus flexiblen Materialien, die sich zusammendrücken, dehnen und an ihre Umgebung anpassen können. Zu den ersten Meilensteinen in diesem Bereich gehören Harvards Oktobot – ein autonomer Roboter, der vollständig aus Silikon und Flüssigkeitskanälen besteht und keine starren Teile aufweist, inspiriert von den Muskeln eines Oktopus. Seitdem haben Ingenieure eine ganze Reihe weicher Maschinen gebaut: von wurmartigen Krabbeltieren und gelartigen Greifern bis hin zu tragbaren „Exo-Anzügen“ und rollenden, lianenartigen Robotern. 

Yale-Forscher entwickelten beispielsweise einen weichen Roboter nach dem Vorbild einer Schildkröte, dessen Beine je nach Schwimm- oder Laufbewegung zwischen schlaffen Flossen und festen „Landbeinen“ wechseln. An der UCSB entwickelten Wissenschaftler einen rankenartigen Roboter, der nur mithilfe lichtempfindlicher „Haut“ in Richtung Licht wächst – er dehnt sich buchstäblich wie ein Pflanzenstamm durch enge Räume. Diese und andere bioinspirierte Innovationen zeigen, wie weiche Materialien neue Fortbewegungsarten ermöglichen.

Insgesamt sagen die Befürworter, dass Soft-Roboter an Orte gelangen können, an die herkömmliche Roboter nicht gelangen können. Anmerkungen der US National Science Foundation Adaptive Soft-Maschinen erforschen Räume, die für herkömmliche Roboter bisher unerreichbar waren – sogar im menschlichen Körper. Manche Soft-Roboter verfügen über programmierbare „Häute“, die ihre Steifigkeit oder Farbe ändern, um sich an Objekte anzupassen oder sie zu greifen. Ingenieure erforschen auch Origami-/Kirigami-Techniken, Formgedächtnispolymere und andere Tricks, damit diese Roboter ihre Konfiguration im Handumdrehen ändern können.

Entwicklung flexibler Bewegungen

Einen weichen Roboter wie ein Tier zu bewegen, ist eine große Herausforderung. Ohne feste Gelenke oder Motoren müssen sich die Designer auf Materialeigenschaften und eine ausgeklügelte Geometrie verlassen. So musste beispielsweise der Jumper des Georgia Tech in seinem gummiartigen Körper eine Karbonfaser-Rückgrat aufweisen, um die Federwirkung ausreichend zu verstärken. Auch die Integration von Sensoren und Steuerungssystemen ist knifflig. Ingenieure der Penn State weisen darauf hin, herkömmliche Elektronik ist steif und würde einen weichen Roboter an Ort und Stelle einfrieren.

Um ihren winzigen, kriechenden Rettungsroboter „intelligent“ zu machen, mussten sie flexible Schaltkreise sorgfältig über den Körper verteilen, damit er sich noch biegen konnte. Selbst die Suche nach Energiequellen ist schwieriger: Einige Softroboter nutzen externe Magnetfelder oder Druckluft, da sie durch eine schwere Batterie zu schwer würden.

Die von Fadenwürmern inspirierten Softroboter des Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Eine weitere Hürde ist die Nutzung der richtigen Physik. Das Fadenwurm-Roboter-Team fand heraus, dass Knicke tatsächlich hilfreich sind. In einem normalen Gummischlauch stoppt ein Knick den Fluss schnell; in einem weichen Wurm hingegen baut er langsam inneren Druck auf, wodurch eine deutlich stärkere Biegung vor der Freigabe möglich ist. Durch Experimente mit Simulationen und sogar wassergefüllten Ballonmodellen zeigten die Forscher, dass ihr flexibler Körper beim Biegen viel elastische Energie speichern und diese dann in einem schnellen Sprung freisetzen kann. Das Ergebnis ist bemerkenswert: Aus dem Ruhezustand kann der Roboter wiederholt drei Meter hoch springen, indem er einfach seine Wirbelsäule beugt. Diese Durchbrüche – Wege zu finden, Shop an und Release Energie in gummiartigen Materialien – sind typisch für die Softrobotik-Technik.

Hopper und Helfer aus der realen Welt

Wozu sind all diese Softroboter gut? Im Prinzip können sie Situationen bewältigen, die für starre Maschinen zu gefährlich oder schwierig sind. In Katastrophengebieten können sich Softbots beispielsweise unter Trümmern oder in eingestürzten Gebäuden hindurchschlängeln, um Überlebende zu finden. Die Pennsylvania State University präsentierte einen Prototyp eines magnetisch gesteuerten Soft Crawlers, der sich durch dichtes Geröll bewegen und sogar durch blutgefäßgroße Kanäle navigieren konnte.

In der Medizin könnten mikroskopisch kleine Softroboter Medikamente direkt in den Körper verabreichen. Eine MIT-Studie entwickelte einen hauchdünnen Softroboter, der durch Arterien gleitet und Blutgerinnsel löst und so Schlaganfälle möglicherweise ohne offene Operation behandeln könnte. Harvard-Wissenschaftler arbeiten außerdem an tragbaren Soft-Exoskeletten – einer leichten, aufblasbaren Hülle, die ALS-Patienten hilft, eine Schulter anzuheben und so ihren Bewegungsradius sofort verbessert.

Auch Raumfahrtbehörden haben Soft Jumper im Auge. Räder können an Sand oder Felsen hängen bleiben, doch ein Hüpfroboter könnte über Krater und Dünen springen. Die NASA plant sogar neuartige Springer für den Mond und Eismonde. Ein Konzept sieht einen fußballgroßen Roboter namens SPATZ würden Dampfdüsen (aus gekochtem Eis) nutzen, um viele Kilometer über Europa oder Enceladus zu hüpfen. In der geringen Schwerkraft dieser Monde reicht ein kleiner Sprung sehr weit – Wissenschaftler stellen fest, dass ein Roboter, der auf der Erde einen Meter weit springt, ihn auf Enceladus hundert Meter weit tragen könnte. Die Idee ist, dass Dutzende dieser Hüpfer „mit völliger Bewegungsfreiheit“ über fremdes Gelände schwärmen könnten, wo Radrover stecken bleiben würden. Zurück auf der Erde könnten zukünftige Softjumper bei Such- und Rettungsmissionen helfen, indem sie Flüsse, Schlamm oder instabilen Boden überspringen, der konventionelle Roboter aufhalten würde.

Weiche Roboter finden auch in Industrie und Landwirtschaft Anwendung. Die NSF weist darauf hin, dass sie sich als sichere Helfer in Fabrikhallen oder auf Bauernhöfen erweisen könnten, da sie gehorchen, wenn ein Mensch im Weg ist. Forscher haben sogar weiche Greifer entwickelt, die empfindliche Früchte sanft pflücken, ohne sie zu beschädigen. Dank ihrer Flexibilität können weiche Maschinen an Orten agieren, die für starre Geräte zu klein oder zu flexibel sind.

Experten sind überzeugt, dass Softrobotik viele Bereiche grundlegend verändern wird. Von Würmern über tragbare Anzüge bis hin zu Mondhüpfern – dieser Forschungsstrang zeigt, wie die Erforschung winziger Lebewesen große technologische Fortschritte ermöglichen kann.