Living Machines: Strom aus Bäumen und Roboter-Paläontologie

Wie man Windkraft über Baumblätter abschöpft und wie Roboter beim Analysieren von Tierbewegungen helfen.

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(Bild: Peshkova/Shutterstock.com)

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Um Wind in elektrische Energie umzuwandeln, müssen nicht unbedingt große Windräder errichtet werden. Der Strom lässt sich auch direkt aus den Blättern der Bäume abzapfen. Ein Mitarbeiter des Italian Institute of Technology (IIT) berichtete jetzt von entsprechenden Forschungen.

Auf der Konferenz Living Machines, die in diesem Jahr online stattfindet, erläuterte Fabian Meder (IIT) zunächst die elektrischen Eigenschaften eines Baumblatts: Dessen leitfähiges Inneres sei oben und unten von der dielektrischen Cuticula bedeckt. Diese Struktur lasse sich nutzen, um aus der durch den Wind erzeugten mechanischen Energie elektrischen Strom zu gewinnen.

Dafür müsse über dem Blatt eine künstliche Elektrode befestigt werden. Bei Berührung von Blatt und Elektrode würden dann durch den triboelektrischen Effekt Elektronen abgegeben. Die Stärke des Effekts hänge von den verwendeten Materialien, der Größe des Blattes sowie der Häufigkeit und Stärke der Berührungen ab. Ein einzelnes Blatt reiche aber aus, um 100 bis 150 LEDs zum Leuchten zu bringen. Bei Experimenten mit Windgeschwindigkeiten von 1,4 bis 4,8 m/s seien bis zu 2 Volt und 100 Nanowatt generiert worden, so Meder. Er schätze daher, dass sich allein im New Yorker Central Park mit seinen 26.000 Bäumen pro Jahr bis zu 35 Megawattstunden erzeugen ließen.

Wie realistisch ein solches Anwendungsszenario ist, ist eine andere Frage. Meder ging bei seiner Schätzung von 5000 Blättern pro Baum aus. Es müssten demnach 130 Millionen Elektroden installiert werden. Lohnt sich der Aufwand? Wohl nur, wenn eine Schar von Robotern diese Arbeit übernehmen könnte – was auf deren Seite wiederum ein hohes Maß an Beweglichkeit und Geschicklichkeit erfordert.

Auch das ist Thema bei der Konferenz, die sich generell der wechselseitigen Befruchtung biologischer und ingenieurwissenschaftlicher Disziplinen widmet. Die Biologie inspiriere die Robotik, die wiederum die Biologie inspiriere, sagte Auke Ijspeert (EPFL) in einer Keynote, in der er Beispiele dafür brachte, wie mithilfe von Robotern das Verständnis der Fortbewegung im Tierreich vertieft werden könne. Dabei geht es insbesondere darum, das Zusammenspiel von vier Elementen genauer zu erfassen: Bewegungsapparat (Muskeln und Knochen), Reflexe, Rückenmark und Gehirn.

Am Beispiel einer toten Forelle, die allein aufgrund ihrer Körpermechanik stabil in der Strömung schwimmt, demonstrierte Ijspeert die Intelligenz, die im Körper selbst steckt. In dieser Dynamik sieht er den Ansatzpunkt, um eine Forschungskontroverse zu überbrücken, bei der es um die Frage geht, welche Rolle sensorisches Feedback und zentrale Mustergeneratoren im Rückenmark für die Fortbewegung spielen. Er selbst favorisiert die zentralen Mustergeneratoren, die er mit Marionetten vergleicht, bei denen durch den Zug an einem Faden komplexe Bewegungen erzeugt werden können. In einer berühmten Studie konnte er einen Salamander-Roboter auf diese Weise vom Schwimmen zum Laufen und umgekehrt wechseln lassen.

Gleichwohl muss ein Organismus mit Störungen umgehen können. Die werden durch die Sinnesorgane wahrgenommen und aktivieren Reflexe, um die Störung, etwa einen losen Stein, zu neutralisieren und die Bewegungen wieder mit den Rhythmen des zentralen Mustergenerators zu synchronisieren. Ijspeert räumt ein, dass diese Mustergeneratoren beim Menschen, dessen Gang aufgrund des höheren Schwerpunkts und der kleineren Unterstützungsfläche instabiler ist als bei Reptilien, eine geringere Rolle spielen. Sie verbesserten jedoch die Kontrolle der Geschwindigkeit und die Robustheit gegenüber Wahrnehmungsfehlern.

Er vermutet, dass die Bewegungen der Hüfte stärker durch zentrale Mustergeneratoren gesteuert würden, die Füße dagegen eher durch Sinnesreize. Zudem dürfte sich die Bedeutung von sensorischem Feedback und zentralen Mustergeneratoren im Verlauf der Evolution verändert haben.

Nur kurz ging Ijspeert auf die Erforschung der Evolutionsgeschichte mithilfe von Robotern ein. Unter dem Titel "Robotik-Paläontologie" berichtete er davon, wie anhand der fossilen Überreste des ausgestorbenen Reptils Orobates ein Roboter gebaut wurde, um die Gangart dieses Lebewesens zu rekonstruieren. Hierfür orientierten sich die Forscher zum einen an den ebenfalls erhaltenen Fußspuren des Orobates sowie verwandten Tieren wie Salamander, Skinke, Leguane und Kaimane. Die Zuverlässigkeit der Methode wurde überprüft, indem auch die Gangarten von Salamander und Kaiman auf die gleiche Weise rekonstruiert wurden. Es zeigte sich, dass der Orobates sich offenbar ähnlich bewegt hat wie ein Kaiman.

(axk)