Roboter lernt von Einzellern

Ein neuer Antrieb, der sich an der Fortbewegungsart von Amöben orientiert, könnte Robotern bald zu bislang ungekannter Bewegungsfreiheit verhelfen.

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Robotik-Experten an der Virginia Tech-Universität haben ein neues Antriebssystem entwickelt, das sich am so genannten Amöbengang orientiert. Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Robotermotoren kann das neu entwickelte System die gesamte Außenhülle zum Fortkommen nutzen.

Der Roboter wird dazu ringförmig aufgebaut – und ähnelt damit einem verlängerten, zylindrischen Doughnut. Räder, Schienen oder Beine sind nicht notwendig. Stattdessen schiebt das Antriebssystem ständig sein Inneres nach Außen, wie Dennis Hong, Juniorprofessor für Maschinenbau an der Virginia Tech-Universität, erläutert. "Die ganze Außenhaut bewegt sich."

Der neue Antrieb eigne sich daher besonders gut für Rettungsmissionen in unwegsamem Gelände. "Unser Roboter kann sich unter einem eingestürzten Dach hindurch zwängen und Hindernisse ganz einfach überbrücken." In ersten Experimenten zeigte sich, dass die Roboter-"Amöbe" mit ihrem weichen, sich zusammen ziehenden Körper auch Löcher durchkriechen konnte, die deutlich kleiner als ihre reguläre Breite waren. Und da der Roboter seine gesamte Fläche für die Bodenhaftung nutzen kann, überbrückt er auch Unebenheiten problemlos.

Die tatsächliche Bewegung ergibt sich dabei aus dem Zusammenziehen und Ausdehnen einzelner Gliederringe, die sich an der gesamten Länge des Roboterkörpers befinden. Dabei ziehen sich die Ringe im hinteren Teil zusammen und im vorderen dehnen sie sich. Dadurch entsteht die Bewegung.

Ganz ähnlich kämen auch einzellige Organismen wie Amöben mit ihren Scheinfüßchen voran, erklärt Hong. Dabei wird flüssiges Endoplasma innerhalb der Zelle in einer röhrenförmigen Hülle aus Ektoplasma nach vorne bewegt. Erreicht das Endoplasma den vorderen Teil der Hülle, wird es zu gelförmigem Ektoplasma und erweitert so die Hülle – es entsteht Vortrieb. Gleichzeitig wird aus dem nach hinten gelangten Ektoplasma wieder flüssiges Endoplasma, was den Prozess erneut anstößt.

Um eine ähnliche Bewegung zu erzeugen, setzten Hongs anfängliche Experimente auf Roboter mit einer flexiblen, ringförmigen Membran, an der jeweils Antriebsringe saßen, die einerseits aus einem elektroaktiven Polymer und andererseits aus unter Druck stehenden Schläuchen bestanden. Inzwischen ist er aber von den elastischen Membranen zu einem haltbareren Design übergegangen. Wie es genau funktioniert, will Hong allerdings nicht mitteilen – Forschergeheimnis. Er verwende jedoch feste mechanische Teile, die auf eine Art miteinander verbunden seien, durch die sich eine Bewegung ergäbe, so Hong: "Es ist ein bisschen wie die Lauffläche eines Panzers in drei Dimensionen."

Henrik Christensen, Professor für Robotik und Direktor des Instituts für Robotik am Georgia Institute of Technology sieht in Hongs Arbeit interessante Ansätze: "Wir brauchen dringend bessere Antriebe für Roboter." Räder oder Schienen funktionierten so lange gut, bis das Gelände zu rau werde. Beine seien hingegen zu langsam und ineffizient.

"Ein ringförmiges Antriebsdesign wurde bereits von anderen Wissenschaftlern erprobt", meint Experte Andrew Adamatzky von der University of the West of England in Bristol. Die Verwendung elektroaktiver Polymere zur Erzeugung von Kontraktionswellen sei trotzdem eine neue Methode: "Diese Experimente könnten zu spannenden Perspektiven führen – insbesondere bei Robotern mit weichem Körper."

Mit letzterem Design ergeben sich allerdings auch neue Probleme. So ist unklar, wo sich Stromversorgung, Controller und Sensoren unterbringen lassen. "Das Grundprinzip von Hong ist gut, aber der ingenieurtechnische Ansatz muss noch ausgearbeitet werden", meint Christensen.

Hong ist sich dieser Situation bewusst. Er sehe noch zahlreiche praktische Probleme mit seinem Roboter. Eine mögliche Lösung sei allerdings, Stromversorgung, Controller, Sensoren und andere wichtige Bauteile im Zentrum des Ringes unterzubringen. Die Roboterstruktur würde dann dazu führen, dass diese Teile immer am selben Platz blieben. Mit Drahtlostechnik könnte dann die Kontraktionen ausgelöst werden, Induktionsschleifen sorgten für Strom.

Robin Murphy, Professor für Informatik und Ingenieurwissenschaften an der University of Florida, der zuvor das "Center for Robot-Assisted Search and Rescue" in Tampa leitete, betont die Notwendigkeit einer genauen Ausarbeitung eines solchen Roboters. "Allein der Antrieb reicht nicht aus. Er muss wirklich auf allen Oberflächen funktionieren." (bsc)