Würmer, Federn und weiche Roboter: Kleine Kreaturen inspirieren große Sprünge

Forscher an der Georgia Tech haben kürzlich eine beeindruckende Leistung vorgestellt: einen 13 Zentimeter langen weichen Roboter, der sich ohne Beine 3 Meter in die Luft katapultieren kann – die Höhe eines Basketballkorbs. Das Design wurde von dem bescheidenen Nematoden inspiriert, einem winzigen Rundwurm, der dünner als ein Menschenhaar ist und viele Male seine Körperlänge springen kann.

Indem er seinen Körper in enge Knicke presst, speichert der Wurm elastische Energie und gibt sie dann plötzlich frei, um sich wie ein akrobatischer Turner nach oben oder hinten zu schleudern. Die Ingenieure ahmten diese Bewegung nach. Ihr “SoftJM”-Roboter ist im Wesentlichen eine flexible Silikonstange mit einem steifen Kohlenstofffaserrücken. Je nachdem, wie er sich biegt, kann er nach vorne oder hinten springen – obwohl er keine Räder oder Beine hat.

In Aktion rollt sich der nematodeninspirierte Roboter ein, ähnlich wie eine Person, die sich duckt, und dann explosiv auf, um zu springen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeigt, wie der Wurm seinen Kopf nach oben und in der Mitte seines Körpers kinkt, um rückwärts zu hüpfen, und dann gerade wird und am Schwanz kinkt, um vorwärts zu springen.

Das Georgia-Tech-Team fand heraus, dass diese engen Knicke – normalerweise ein Problem in Schläuchen oder Kabeln – es dem Wurm und dem Roboter ermöglichen, viel mehr Energie zu speichern. Wie ein Forscher bemerkte, sind geknickte Strohalme oder Schläuche nutzlos, aber ein geknickter Wurm verhält sich wie eine geladene Feder. Im Labor reproduzierte der weiche Roboter diesen Trick: Er “knickte” seine Mitte oder seinen Schwanz, spannte sich an und gab dann in einem Burst (etwa ein Zehntel einer Millisekunde) frei, um in die Luft zu schießen.

Weiche Roboter auf dem Vormarsch

Weiche Robotik ist ein junges, aber rasch wachsendes Feld, das oft Anregungen aus der Natur bezieht. Im Gegensatz zu starren Metallmaschinen bestehen weiche Roboter aus flexiblen Materialien, die sich zusammenpressen, strecken und an ihre Umgebung anpassen können. Frühe Meilensteine in diesem Bereich sind Harvards Octobot – ein autonomer Roboter, der vollständig aus Silikon und Fluidkanälen besteht und keine starren Teile hat, inspiriert von Octopusmuskeln. Seitdem haben Ingenieure eine Menagerie von weichen Maschinen gebaut: von wurmähnlichen Kriechern und gallertartigen Greifern bis hin zu tragbaren “Exo-Anzügen” und rollenden, rankenartigen Robotern.

Beispielsweise haben Yale-Forscher einen weichen Roboter entwickelt, der von einem Schildkröten inspiriert ist und dessen Beine zwischen schlaffen Flossen und festen “Landbeinen” wechseln, je nachdem, ob er schwimmt oder geht. An der UCSB haben Wissenschaftler einen rankenartigen Roboter gebaut, der sich mit Hilfe von lichtempfindlicher “Haut” towards Licht bewegt – er verlängert sich buchstäblich durch enge Räume wie ein Pflanzenstängel. Diese und andere bio-inspirierten Innovationen zeigen, wie weiche Materialien neue Bewegungsformen schaffen können.

Insgesamt sagen Unterstützer, dass weiche Roboter an Orten eingesetzt werden können, an denen herkömmliche Roboter nicht eingesetzt werden können. Die US-amerikanische National Science Foundation weist darauf hin, dass adaptive weiche Maschinen “Räume erkunden, die bisher von herkömmlichen Robotern nicht erreicht werden konnten” – sogar im menschlichen Körper. Einige weiche Roboter haben programmierbare “Häute”, die ihre Steifigkeit oder Farbe ändern, um sich anzupassen oder Gegenstände zu greifen. Ingenieure erforschen auch Origami/Kirigami-Techniken, Formgedächtnispolymere und andere Tricks, damit diese Roboter sich im Flug umkonfigurieren können.

Flexiblen Bewegungen konstruieren

Es ist eine große Herausforderung, einen weichen Roboter wie ein Tier bewegen zu lassen. Ohne harte Gelenke oder Motoren müssen Designer auf Materialeigenschaften und clevere Geometrie zurückgreifen. Beispielsweise musste das Georgia-Tech-Team einen Kohlenstofffaserrücken in den gummiartigen Körper des Springers einbauen, um die Federwirkung stark genug zu machen. Die Integration von Sensoren und Steuersystemen ist auch schwierig. Wie Penn-State-Ingenieure feststellen, sind herkömmliche Elektronikteile steif und würden einen weichen Roboter an einem Ort festhalten.

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 weiche Roboter verwenden externe magnetische Felder oder Druckluft, da das Tragen einer schweren Batterie sie herunterziehen würde.

Der nematodeninspirierte weiche Roboter von Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Ein weiteres Hindernis ist die Ausnutzung der richtigen Physik. Das nematoden-robusten Team erkannte, dass Knicke tatsächlich helfen. In einem normalen Gummischlauch stoppt ein Kink schnell den Fluss; in einem weichen Wurm baut er jedoch langsam den inneren Druck auf, der viel mehr Biegung vor der Freigabe ermöglicht. Durch Experimente mit Simulationen und sogar wassergefüllten Ballonmodellen zeigten die Forscher, dass ihr flexibler Körper viel elastische Energie speichern kann, wenn er gebogen wird, und sie dann in einem schnellen Sprung freisetzen kann. Das Ergebnis ist bemerkenswert: Aus dem Stand kann der Roboter 3 Meter hoch springen, wiederholt, indem er einfach seinen Rücken beugt. Diese Durchbrüche – die Entwicklung von Möglichkeiten, Energie in gummiartigen Materialien zu speichern und freizusetzen – sind typisch für die Konstruktion von weichen Robotern.

Weiche Roboter in der realen Welt

Wofür sind all diese weichen Roboter gut? Im Prinzip können sie Situationen bewältigen, die für starre Maschinen zu gefährlich oder unangenehm sind. In Katastrophengebieten können weiche Roboter beispielsweise unter Trümmern oder in eingestürzten Gebäuden nach Überlebenden suchen. Penn State zeigte ein Prototyp eines magnetisch gesteuerten weichen Kriechers, der sich durch enge Trümmer oder sogar durch Blutgefäße bewegen kann.

In der Medizin könnten mikroskopisch kleine weiche Roboter Medikamente direkt im Körper abliefern. In einer MIT-Studie wurde ein faden dünner weicher Roboter entwickelt, der durch Arterien schwimmen und Blutgerinnsel beseitigen könnte, um Schlaganfälle ohne offene Chirurgie zu behandeln. Harvard-Wissenschaftler arbeiten auch an weichen, tragbaren Exoskeletten – einer leichten, aufblasbaren Manschette, die ALS-Patienten half, ihre Schulter zu heben und ihre Bewegungsfreiheit zu verbessern.

Weltraumagenturen interessieren sich auch für weiche Springer. Räder können im Sand oder auf Felsen stecken bleiben, aber ein springender Roboter könnte über Krater und Dünen springen. Die NASA stellt sich sogar neuartige Springer für den Mond und die eisigen Monde vor. In einem Konzept würde ein soccerballgroßer Roboter namens SPARROW Dampfstrahlen (aus geschmolzenem Eis) verwenden, um viele Meilen über Europa oder Enceladus zu springen. In der geringen Schwerkraft dieser Monde kann ein kleiner Sprung sehr weit tragen – Wissenschaftler bemerken, dass ein Roboter-Sprung von einem Meter auf der Erde ihn auf Enceladus hundert Meter tragen könnte. Die Idee ist, dass Dutzende dieser Springer über fremde Terrains “mit vollkommener Freiheit” schwärmen könnten, wo radgetriebene Roboter stecken bleiben würden. Zurück auf der Erde könnten zukünftige weiche Springer bei Such- und Rettungsmissionen helfen, indem sie über Flüsse, Schlamm oder unbeständigen Boden springen, der herkömmliche Roboter stoppen würde.

Weiche Roboter finden auch in der Industrie und Landwirtschaft Verwendung. Die NSF weist darauf hin, dass sie sichere Helfer auf Fabrikböden oder auf Farmen werden könnten, da sie nachgeben, wenn ein Mensch im Weg ist. Forscher haben sogar weiche Greifer entwickelt, die empfindliche Früchte vorsichtig aufnehmen, ohne sie zu quetschen. Die Flexibilität von weichen Maschinen ermöglicht es ihnen, an Orten zu handeln, die für starre Geräte zu klein oder flexibel sind.

Letztendlich glauben Experten, dass weiche Robotik viele Bereiche grundlegend verändern wird. Von Würmern zu tragbaren Anzügen bis hin zu mondfähigen Springern zeigt diese Forschungsrichtung, wie das Studium kleiner Kreaturen zu großen Sprüngen in der Technologie führen kann.