Ein Roboter erklärt die Evolution

Mit einem Salamander-ähnlichen Roboter zeigen Forscher, wie einfach unseren tierischen Urahnen der Weg aus dem Wasser aufs Land gelungen sein könnte

Wohl jeder wird schon einmal Fische beobachtet haben, die es plötzlich aus ihrem Lebenselement ins Trockene verschlagen hat. Sie zappeln und hüpfen zwar und sind kaum zu greifen - doch zu gerichteter Bewegung an Land sind sie kaum fähig. Selbst, wenn sie nicht bald an Austrocknung zugrunde gingen, würde man ihnen kaum Überlebenschancen zubilligen. Und trotzdem müssen ihre und unsere Vorfahren vor rund 400 Millionen Jahren den Weg aus dem Wasser an Land geschafft haben.

Dass ihnen das gar nicht so schwer gefallen sein könnte, zeigen Forscher aus der Schweiz und Frankreich in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science. In ihrer Arbeit betrachten sie den Salamander genauer, ein Amphibium, dem vor allem eine bewundernswerte Regenerationsfähigkeit nachgesagt wird (vgl. Nachwachsende Gliedmaßen).

Dem Salamander wird aber auch bescheinigt, aus der aktuellen Fauna den allerersten Landleben am stärksten zu ähneln. Dafür spricht auch, dass er zwei Fortbewegungsarten gut beherrscht - bei manchen Menschen kann man das nicht mal für eine Fortbewegungsart behaupten. Zum einen ist der Salamander - die Wissenschaftler sprechen in ihrer Arbeit immer von "dem Salamander", obwohl es sich dabei um eine ganze, gemeinsam mit den Molchen gebildete Familie handelt - zum einen also ist er ein sehr guter Schwimmer, der sich mit "hochgeklappten" Beinen durch das Wasser schlängelt. Zum anderen läuft er an Land - langsamer als im Wasser zwar, aber dafür unter Einsatz seiner vier Gliedmaßen, wobei er die diagonal gegenüberliegenden stets gleichzeitig bewegt.

Obduktion: Der kriechende Roboter im Labor (Foto: A. Herzog / Biologically Inspired Robotics Group, EPFL)

Wie der Salamander diese Bewegungsarten erlernt hat, vermuten die Forscher schon seit 2003. Amphibien besitzen, das war bekannt, zwei Oszillationszentren, Nervengeflechte, die rhythmische Signale erzeugen und an die Muskeln im Körper und in den Gliedmaßen weiterleiten. Das eine Geflecht verteilt sich über die gesamte Länge der Wirbelsäule, seine Nervenzellen feuern in einem derartigen Rhythmus, dass der Körper in die typischen Schwimmbewegungen versetzt wird. Der andere Mustergenerator sitzt an nur zwei Stellen des Rückgrats und ist für die vorderen beziehungsweise hinteren Beine zuständig.

2003 nun hatte Jean-Marie Cabelguen, einer der Verfasser des Science-Artikels, im Salamander-Gehirn den für die Art der Bewegung verantwortlichen Bereich entdeckt. Welche Art Bewegung ein Salamander ausführt, steuert ein Gebiet seines Gehirns - und zwar ganz simpel auf der Stärke der Anregung basierend. Wenn Cabelguen den Bereich mit einem geringen Stromfluss traktierte, begannen sich die Beinmuskeln im typischen Muster zu bewegen. Mit steigender Anregung bewegten sich die Beine flotter - bis zu einer bestimmten Grenze, an der die zuständigen Nervenzellen ausstiegen. Doch nun setzte der zweite Mustergenerator ein - und versetzte den Körper des Salamanders in die typischen Schwimmbewegungen. Das ist ein derart einfacher Prozess, dass den Salamander-Vorfahren der Weg an Land relativ leicht gefallen sein muss.

Der Salamander-Roboter auf dem Weg ins nasse Element (Foto: A. Herzog / Biologically Inspired Robotics Group, EPFL)

Nun sind Stromexperimente an toten Salamandern kein so beeindruckender Beweis wie ein Modell, das die Tiere in Aktion zeigt. Zentrales Thema des aktuellen Science-Artikels ist deshalb ein in Roboterform nachgebauter Salamander. Das 85 Zentimeter lange und mit zehn Motoren ausgestattete Wesen ist als Roboter relativ primitiv, doch trotzdem beherrscht es beide Bewegungsarten seines tierischen Vorbilds. Seine Konstrukteure haben ihm eine Steuerung eingebaut, die die Eigenschaften der Salamander-Mustergeneratoren imitiert. Die für die Gliedmaßen zuständigen "Nerven" oszillieren also langsamer als die für die Körperbewegung verantwortlichen, dafür besitzen sie aber gegenüber der Körperbewegung Priorität.

Tatsächlich hatten die Wissenschaftler mit diesem Modell Erfolg - der Salamander-Roboter bewegt sich auf die für Amphibien typische Weise. Per Fernsteuerung können seine Erfinder die Spannung regulieren, mit der das Steuerungszentrum traktiert wird - und tatsächlich läuft der Roboter bei niedrigen Spannungen, bis er bei höheren Spannungen erst zu kriechen und dann zu schwimmen beginnt. Seine Bewegungsmuster ähneln denen echter Salamander deutlich. Er kommt - in Körperlängen ausgedrückt - etwas langsamer vorwärts als Pleurodeles waltlii, der Spanische Rippenmolch: beim Laufen erreicht er bis zu 0,11 Körperlängen pro Sekunde (Rippenmolch: 0,4 Körperlängen/s). Im Wasser schwimmt ihm der Rippenmolch noch deutlicher davon: da steht es 0,14 Körperlängen/s zu 1,2 Körperlängen/s. Angesichts der relativ primitiven Mechanik betrachten die Forscher das zu Recht als Erfolg.

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