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 ist als ein Menschenhaar und viele Male seine Körperlänge springen kann.

Indem er seinen Körper in enge Knicke pinnt, speichert der Wurm elastische Energie und gibt sie dann plötzlich frei, um sich in die Luft oder rückwärts wie ein akrobatischer Turner 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 vorwärts oder rückwärts springen – obwohl er keine Räder oder Beine hat.

In Aktion windet sich der nematodeninspirierte Roboter auf ähnliche Weise wie eine Person, die sich duckt, und streckt sich dann explosiv, um zu springen. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeigt, wie der Wurm seinen Kopf nach oben krümmt und in der Mitte seines Körpers knickt, um rückwärts zu hüpfen, und dann gerade wird und am Schwanz knickt, 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 tatsächlich ermöglichen, viel mehr Energie zu speichern. Wie ein Forscher bemerkte, sind geknickte Strohalme oder Schläuche nutzlos, aber ein geknickter Wurm wirkt wie eine geladene Feder. Im Labor reproduzierte der weiche Roboter diesen Trick: Er “pinnt” seine Mitte oder seinen Schwanz, spannt sich an und gibt 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 umfassen Harvards Octobot – einen autonomen Roboter, der vollständig aus Silikon und Fluidkanälen besteht und keine starren Teile hat, inspiriert von den Muskeln des Oktopuss. Seitdem haben Ingenieure eine Menagerie von weichen Maschinen gebaut: von wurmähnlichen Kriechern und gallertartigen Greifern bis hin zu tragbaren “Exo-Anzügen” und rollenden, weinähnlichen Robotern.

Zum Beispiel erstellten Yale-Forscher einen schildkröteninspirierten weichen Roboter, dessen Beine zwischen schlaffen Flossen und festen “Landbeinen” wechseln, je nachdem, ob er schwimmt oder geht. An der UCSB entwickelten Wissenschaftler einen weinähnlichen Roboter, der sich mit Hilfe von lichtempfindlicher “Haut” zum Licht hin bewegt – er dehnt sich buchstäblich durch enge Räume wie einen Pflanzenstengel aus. Diese und andere bio-inspirierten Innovationen zeigen, wie weiche Materialien neue Bewegungsformen schaffen können.

Insgesamt sagen Befürworter, dass weiche Roboter an Orten eingesetzt werden können, an denen herkömmliche Roboter nicht eingesetzt werden können. Die U.S. National Science Foundation weist darauf hin, dass adaptive weiche Maschinen “Räume erkunden, die bisher von herkömmlichen Robotern nicht zugänglich waren” – sogar im menschlichen Körper. Einige weiche Roboter haben programmierbare “Häute”, die ihre Steifigkeit oder Farbe ändern, um sich anzupassen oder Objekte 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 vertrauen. Zum Beispiel musste der Georgia-Tech-Springer einen Kohlenstofffaserrücken in seinem gummiartigen Körper haben, 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 kann. 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.

Die nematodeninspirierten weichen Roboter von Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Ein weiteres Hindernis ist die Ausnutzung der richtigen Physik. Das Nematoden-Roboter-Team erkannte, dass Knicke tatsächlich helfen. In einem normalen Gummischlauch stoppt eine Knicke den Fluss schnell; in einem weichen Wurm baut sie jedoch den inneren Druck langsam auf, sodass viel mehr Biegung vor der Freigabe möglich ist. 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: Der Roboter kann von der Ruheposition aus 3 Meter hoch springen, wiederholt, indem er einfach seine Wirbelsäule beugt. Diese Durchbrüche – das Speichern und Freisetzen von Energie in gummiartigen Materialien – sind typisch für die Entwicklung von weichen Robotern.

Echte Hüpfer und Helfer

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 zum Beispiel 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 blutgefäßgroße Kanäle 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 entworfen, 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 so ihre Bewegungsfreiheit zu verbessern.

Auch Raumfahrtagenturen interessieren sich für weiche Springer. Räder können im Sand oder auf Felsen stecken bleiben, aber ein hüpfender Roboter könnte über Krater und Dünen springen. Die NASA stellt sich sogar vor, neue Springer für den Mond und die eisigen Monde. In einem Konzept soll ein fußballgroßer Roboter namens SPARROW Dampfstrahlen (aus gekochtem Eis) verwenden, um viele Meilen über Europa oder Enceladus zu springen. In der geringen Schwerkraft dieser Monde kommt ein kleiner Sprung sehr weit – Wissenschaftler bemerken, dass ein Robotsprung von einem Meter auf der Erde ihn auf Enceladus hundert Meter tragen könnte. Die Idee ist, dass Dutzende dieser Hüpfer über fremde Terrains “mit vollkommener Freiheit” schwärmen könnten, wo sich radgetriebene Rover festfahren würden. Zurück auf der Erde könnten zukünftige weiche Springer bei Such- und Rettungseinsätzen helfen, indem sie über Flüsse, Schlamm oder unebenes Gelände springen, das 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 bedeutet, dass sie an Orten agieren können, die für starre Geräte zu klein oder flexibel sind.

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