Würmer und Federn inspirieren Durchbrüche bei weichen Robotern

Forscher der Georgia Tech haben eine beeindruckende Leistung vollbracht: einen 5 Zoll großen weichen Roboter, der sich 10 Fuß in die Luft schleudern kann und damit die Höhe eines Basketballkorbs erreicht, obwohl er keine Beine hat. Das Design ist von dem unscheinbaren Fadenwurm inspiriert, einem mikroskopisch kleinen Rundwurm, der dünner als ein menschliches Haar ist und dafür bekannt ist, dass er ein Vielfaches seiner Körperlänge springen kann.

Dieser Wurm speichert elastische Energie, indem er seinen Körper zu engen Windungen zusammenzieht, und gibt sie dann plötzlich frei, um sich wie ein Akrobat nach oben oder nach hinten zu katapultieren. Ingenieure haben diese Bewegung mit ihrem „SoftJM”-Roboter nachgebildet, einem flexiblen Silikonstab, der mit einem steifen Rückgrat aus Kohlefaser verstärkt ist. Durch Veränderung seiner Biegung kann sich der Roboter nach vorne oder nach hinten katapultieren, ganz ohne Räder oder Beine.

In Aktion rollt sich dieser bioinspirierte Roboter wie ein Sprinter im Startblock zusammen, bevor er sich explosionsartig streckt, um zu springen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen, wie der Wurm seinen Kopf nach oben krümmt und seinen Mittelteil abknickt, um nach hinten zu springen, und sich dann streckt und seinen Schwanz abknickt, um nach vorne zu springen.

Das Team der Georgia Tech entdeckte, dass diese scharfen Biegungen, die bei Schläuchen oder Kabeln normalerweise problematisch sind, sowohl dem Wurm als auch dem Roboter ermöglichen, deutlich mehr Energie zu speichern. Wie ein Forscher erklärte, ist ein geknickter Strohhalm nutzlos, aber ein geknickter Wurm verhält sich wie eine gespannte Feder. Im Labor gelang es dem weichen Roboter, diesen Mechanismus erfolgreich nachzubilden: Er drückt seine Mitte oder seinen Schwanz zusammen, baut Spannung auf und gibt diese in einem etwa eine Zehntel Millisekunde dauernden Ausbruch frei, um in die Luft zu springen.

Weiche Roboter auf dem Vormarsch

Die Soft-Robotik ist ein relativ neues, aber schnell wachsendes Gebiet, das sich häufig von der Natur inspirieren lässt. Im Gegensatz zu starren Metallmaschinen bestehen weiche Roboter aus flexiblen Materialien, die sich zusammendrücken, dehnen und an ihre Umgebung anpassen können. Zu den Pionierarbeiten gehört der Octobot von Harvard, ein vollständig autonomer Roboter, der komplett aus Silikon und Flüssigkeitskanälen ohne starre Teile besteht und von der Muskulatur eines Oktopus inspiriert ist. Seitdem haben Ingenieure eine Vielzahl von weichen Maschinen entwickelt, von wurmartigen Crawlern und gelatineartigen Greifern bis hin zu tragbaren Exosuits und von Reben inspirierten Rollern.

Beispielsweise haben Forscher der Yale University einen von Schildkröten inspirierten weichen Roboter entwickelt, dessen Gliedmaßen zwischen schlaffen Flossen und starren „Landbeinen” wechseln, um schwimmen oder laufen zu können. An der UC Santa Barbara haben Wissenschaftler einen rankenartigen Roboter entwickelt, der sich mithilfe einer lichtempfindlichen „Haut” zum Licht hin ausdehnt und sich wie ein Pflanzenstiel durch enge Räume schlängelt. Diese und andere bioinspirierte Innovationen zeigen, wie weiche Materialien völlig neue Bewegungsformen ermöglichen.

Befürworter argumentieren, dass weiche Roboter Zugang zu Umgebungen haben, die für herkömmliche Roboter unerreichbar sind. Die US-amerikanische National Science Foundation betont, dass adaptive weiche Maschinen „bisher unerreichbare Räume erkunden”, darunter auch das Innere des menschlichen Körpers. Einige verfügen über programmierbare „Häute”, die ihre Steifigkeit oder Farbe zur Tarnung oder zum Greifen verändern können. Ingenieure erforschen auch Techniken wie Origami/Kirigami und Formgedächtnispolymere, die es diesen Robotern ermöglichen, sich spontan neu zu konfigurieren.

Flexible Bewegungen konstruieren

Die Entwicklung eines weichen Roboters, der sich wie ein Tier bewegt, stellt eine große Herausforderung dar. Ohne starre Gelenke oder herkömmliche Motoren müssen sich Ingenieure auf Materialeigenschaften und intelligente Geometrie verlassen. Der springende Roboter der Georgia Tech benötigte beispielsweise eine interne Wirbelsäule aus Kohlefaser in seinem gummiartigen Körper, um eine ausreichende Federkraft zu erzeugen. Auch die Integration von Sensoren und Steuerungssystemen ist komplex. Wie Ingenieure der Penn State University feststellen, würde herkömmliche starre Elektronik einen weichen Roboter bewegungsunfähig machen.

Um ihren kleinen, kriechenden Rettungsroboter „intelligent” zu machen, verteilten sie sorgfältig flexible Schaltkreise über seinen Körper, um die Flexibilität zu erhalten. Selbst die Stromversorgung stellt eine Herausforderung dar: Einige weiche Roboter verwenden externe Magnetfelder oder Druckluft, da das Mitführen einer schweren Batterie ihre Bewegung behindern würde.

Die von Fadenwürmern inspirierten weichen Roboter der Georgia Tech (Foto: Candler Hobbs)

Eine weitere Hürde ist die richtige Nutzung der Physik. Das Nematoden-Roboter-Team entdeckte, dass Knicke von Vorteil sind. Während ein Knick den Fluss in einem normalen Gummischlauch stoppt, baut er in einem weichen, wurmartigen Körper allmählich inneren Druck auf, wodurch eine größere Biegung vor dem Loslassen möglich wird. Durch Simulationen und Experimente mit wassergefüllten Ballonmodellen bewiesen die Forscher, dass ihr flexibles Design beim Biegen erhebliche elastische Energie speichern und diese in einem schnellen Sprung freisetzen kann. Das Ergebnis ist bemerkenswert: Aus dem Stand kann der Roboter allein durch Beugen seines Rückgrats wiederholt 3 Meter hoch springen. Solche Durchbrüche bei der Speicherung und Freisetzung von Energie in elastischen Materialien sind symbolisch für die Soft-Robotik-Technik.

Hüpfer und Helfer in der realen Welt

Welche praktischen Anwendungen haben diese weichen Roboter? Theoretisch können sie in Situationen eingesetzt werden, die für starre Maschinen zu gefährlich oder zu beengt sind. In Katastrophengebieten könnten weiche Roboter beispielsweise unter Trümmern oder in eingestürzten Gebäuden herumkriechen, um Überlebende zu lokalisieren. Die Penn State University demonstrierte einen magnetisch gesteuerten Prototypen eines weichen Crawlers, der in der Lage ist, sich durch enge Trümmer und sogar durch Kanäle von der Größe von Blutgefäßen zu bewegen.

In der Medizin könnten mikroskopisch kleine weiche Roboter Medikamente direkt in den Körper transportieren. Eine MIT-Studie stellte sich einen fadenförmigen weichen Roboter vor, der durch Arterien navigiert, um Blutgerinnsel zu beseitigen und so möglicherweise Schlaganfälle ohne invasive Operationen zu behandeln. Forscher der Harvard University entwickeln ebenfalls weiche, tragbare Exoskelette, wie beispielsweise eine leichte aufblasbare Manschette, die einem ALS-Patienten half, eine Schulter anzuheben, wodurch sich dessen Bewegungsradius sofort verbesserte.

Auch Weltraumagenturen 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 konzipiert neuartige Springer für den Mond und eisige Monde. Ein Konzept, ein fußballgroßer Roboter namens SPARROW, würde Dampfstrahlen aus verdampftem Eis nutzen, um viele Kilometer über Europa oder Enceladus zu springen. In der geringen Schwerkraft dieser Monde legt ein kleiner Sprung eine große Entfernung zurück – ein Sprung von einem Meter auf der Erde könnte einen Roboter auf Enceladus hundert Meter weit befördern. Die Vision ist, dass Schwärme dieser Springer „völlig frei” fremdes Terrain durchqueren, wo Rover mit Rädern stecken bleiben würden. Auf der Erde könnten zukünftige weiche Springer Such- und Rettungsmissionen unterstützen, indem sie über Flüsse, Schlamm oder instabilen Boden springen, der herkömmliche Roboter aufhalten würde.

Weiche Roboter finden auch in der Industrie und Landwirtschaft Verwendung. Die NSF weist auf ihr Potenzial als sichere Kooperationsassistenten in Fabrikhallen und landwirtschaftlichen Betrieben hin, da sie bei Kontakt mit einer Person nachgeben. Forscher haben sogar weiche Greifer entwickelt, die empfindliche Früchte schonend ernten, ohne sie zu beschädigen. Die inhärente Flexibilität dieser Maschinen ermöglicht es ihnen, in Räumen zu arbeiten, die für starre Geräte zu klein oder zu biegsam sind.

Letztendlich glauben Experten, dass die Soft-Robotik zahlreiche Bereiche verändern wird. Von Würmern über tragbare Anzüge bis hin zu Mondhüpfern zeigt diese Forschungsrichtung, wie die Untersuchung kleiner Lebewesen zu riesigen technologischen Fortschritten führen kann.