Bionische Roboter 2019: 4 erstaunliche Erfindungen

Herauszufinden, wie ein rund 300 Jahre altes Landwirbeltier zu Lebzeiten einmal gelaufen ist, war der Anspruch eines internationalen Forscherteams der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und der Ècole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Um die Bewegung des Wirbeltierfossils Orobates pabsti nachvollziehen zu können, bauten die Forscher das Fossil als Bionik-Roboter kurzerhand nach.

Bei der Rekonstruktion federführend war das Schweizer Biorobotics Labor, das eine biomimetische Laufmaschine entwickelte: den OroBOT. Der Roboter demonstriert die simulierten Fortbewegungsmuster und ist in der Lage, die Fährten des Fossils Orobates zu erzeugen. Mit Hilfe des bionischen Roboters konnten verschiedene Bewegungsmuster systematisch getestet und hinsichtlich ihrer Plausibilität beurteilt werden.

Prof. Dr. John Nyakatura, Erstautor und Zoologe an der HU: „Mit Hilfe von High-Speed-Röntgenvideos und Kraftmessungen von unterschiedlichen Echsen und Salamandern konnten wir zunächst die Prinzipien der Bewegungsmechanik des Spreizganges untersuchen. Diejenigen mechanischen Eigenschaften, die von den heute lebenden Tieren geteilt wurden, konnten wir für die Rekonstruktion der Bewegung des Fossils zu Grunde legen“.

Orobates pabsti gilt als Schlüsselfossil für das Verständnis der Evolution der Landwirbeltiere. Er ist früher Vertreter einer erfolgreichen Linie von Amniontieren, die zu heutigen Säugetieren, Reptilien (inklusiver aller ausgestorbenen Flug- und Dinosaurier) und Vögeln geführt hat. Für die Studie konnte anhand der Bewegungsrekonstruktion erforscht werden, ob Orobates sich bereits effektiv an Land fortbewegen konnte, was bisher nur für spätere Amniontiere angenommen wurde. Dies wurde durch die neue Studie unterstützt, sodass der entscheidende Schritt der Unabhängigkeit vom Wasser nun einige Millionen Jahre früher angenommen werden muss.

Die Webseite amzonas.de schreibt: "Kolibris brechen gleich mehrere Rekorde: Im Verhältnis zu ihrem Körpergewicht besitzen sie das größte Gehirn. Und sie sind die einzigen Vögel, die rückwärts fliegen. Kolibris haben einen äußerst schnellen Flügelschlag. Bis zu 80 Schlägen in einer einzigen Sekunde machen sie zu eleganten Flugkünstlern. Bei Windstille schweben sie sogar auf einer Stelle in der Luft. Dabei drücken sie mit ihren schnell schlagenden Flügeln die Luft nach unten, wie ein Propeller."

Dieses Wunder der Natur haben nun Forscher der Purdue University im US-Bundesstaat Indiana nachgeahmt und einen flatternden Roboter-Kolibri gebaut. Die Flügel des kleinen Roboters verfügen dabei jeweils über einen eigenen Antrieb. Diese erlauben es der kleinen maschinellen Nachbildung, wie sein Vorbild zu manövrieren und dabei mehr als das Zweifache ihres Gewichts zu heben. Aktuell fliegt der Roboter-Kolibri aber noch nicht frei, er wird über Draht mit Energie versorgt und gesteuert.  Der bionische Roboter wiegt etwa vier Gramm mehr als sein lebendiges Vorbild und hat eine um sieben Millimeter kürzere Flügelspannweite. Seine Flügel erlauben es dem Roboter nicht nur um Hindernisse zu fliegen, sie fungieren auch als Sensoren. Auf diese Weise kann er seine Umgebung – Wände, Boden und Wind – wahrnehmen.

Auch der Automatisierer Festo hat in der Vergangenheit immer wieder intelligente Fluggeräte präsentiert. Für seinen BionicFlyingFox zum Beispiel hat das Unternehmen im Rahmen seines Bionic Learning Networks den Flughund unter die Lupe genommen und sein spezielles Flugverhalten technisch umgesetzt. Durch ein Zusammenspiel der integrierten On-Board-Elektronik mit einem externen Motion-Tracking-System kann sich das ultraleichte Flugobjekt teilautonom in einem abgesteckten Luftraum bewegen.

„Seabed Interaction-Legged Vehicle for Exploration and Research“ heißt übersetzt etwa „laufendes Meeresboden-Interaktionsfahrzeug für Erkundung und Forschung“. Wer es einfacher haben möchte, nennt den neuen Meeres-Roboter eines Teams italienischer Forscher der Elite-Universität Scuola Superiore Sant’Anna di Studi Universitari e di Perfezionamento aus Pisa einfach gemäß seines Akronyms Silver.

Die neue Version des Silver, der Silver 2, soll in der Lage sein, während seiner Tauchgänge Plastikmüll einzusammeln - und das durchaus intelligent. So soll er Plastik und Mikroplastik im Wasser identifizieren und herausfiltern können. Hierzu sollen Silver 2 noch ein Arm zum Greifen von Plastikflaschen, Beuteln und anderem Müll eingebaut werden, der bisher fehlt. Der einer Krabbe ähnelnde Roboter wiegt 9 Kilogramm und kann bis zu 200 Meter tief tauchen. Dabei hält er aufgrund seiner Bauweise auch niedrigen Temperaturen stand. Zudem experimentieren die Forscher mit Techniken des Machine Learning. So soll der Roboter in Zukunft in der Lage sein, sich an nicht erforschte Umgebungen auf dem Meeresgrund anzupassen.

Autonom operiert Silver 2 noch nicht, er wird ferngesteuert. Zwischen den Forschern an Land und dem Roboter auf dem Meeresboden ist eine Boje zwischengeschaltet. Diese schwimmt an der Wasseroberfläche und ermöglicht erst den Austausch der Daten.

Pflanzen als Vorbilder für Roboter hat die Konferenz RSS (Robotics: Science and Systems) in Freiburg ausgemacht. Für die Experten eines Workshops ging es dabei um die Frage, was Robotik-Ingenieure für ihre Konstruktion von Pflanzen lernen können. Das Prinzip: Die meisten Pflanzen bewegen sich, indem sie wachsen. Thomas Speck von der Uni Freiburg verweist hier auf Kletterpflanzen (Lianen), die sich mit Haftscheiben oder Härchen fest mit ihrer Umgebung verbinden können.

Die Kraft dieser Verbindung liege je nach Untergrund bei 7,8 bis 12,8 Newton pro Zentimeter und werde auch durch das Abreißen einzelner Haftscheiben kaum beeinträchtigt. Hier habe die Natur ein ausfallsicheres System geschaffen, so Speck. Im Rahmen des Forschungsprojekts livMatS (Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems) wollen die Wissenschaftler nun näher untersuchen, wie sich solche Erkenntnisse in technische Systeme ("GrowBots") übertragen lassen, etwa bei der Konstruktion von Greifern.

So geht es etwa im Projekt Plantoid um Roboter, die sich wie Pflanzenwurzeln in die Erde graben können, indem an ihrer Spitze Material hinzugefügt wird. Durch stärkeren Materialfluss an einer Seite könnte sich der Roboter beugen und der Umgebung anpassen. Sensoren für Berührung, Temperatur, Feuchtigkeit oder Nährstoffe könnten dabei helfen. Neben der Landwirtschaft finden sichmögliche Anwendungen in der Weltraumrobotik, Rettungsrobotik oder auch beim Bau.