Bionik In der Knautschzone

Ein Vorbild für moderne Roboter?

(Foto: Reuters)

Kakerlaken und andere Insekten können ihre Körper zusammenquetschen und heftige Kollisionen wegstecken. Robotik-Ingenieure versuchen nun, die Tricks der Krabbeltiere zu kopieren.

Von Elisabeth Pennisi

Egal ob sie fliegen oder krabbeln: Insekten leben in einer Welt harter Schläge. Wer schon mal auf eine Schabe getreten ist und den Schuh wieder angehoben hat, kennt die Robustheit der Sechsbeiner: Oft genug rennt das Krabbeltier dann unversehrt los und verschwindet unter dem nächsten Türspalt. Auch Bienen und Wespen durchleben einen unendlichen Hindernislauf zwischen Blättern, Stämmen und Glasscheiben. Die Flügel mancher Hummeln prallen - statistisch gesehen - häufiger als einmal in der Sekunde auf Gegenstände. Wie verbiegen sich diese Tiere so sehr, ohne zu zerbrechen? Das beginnen Forscher gerade erst zu verstehen.

Die Erkenntnisse können mehr erklären als nur die Frage, warum Schaben so schwer umzubringen sind. Indem man die Kombination flexibler und starrer Teile nachbaut, denen Insekten ihre widerstandskräftigen Exoskelette und Flügel verdanken, lassen sich auch Roboter stabiler machen. "Biegen, aber nicht brechen, das ist eine zentrale Eigenschaft der Insekten", sagt der Robotiker Robert Wood von der Harvard University. "Wir versuchen, das nachzuahmen, um zu sehen, ob auch Maschinen ähnlich robust werden." Bis vor Kurzem machten die meisten Ingenieure ihre Maschinen fit für die raue Welt, indem sie diese entweder möglichst stabil oder möglichst agil gestalteten, um Gefahren zu entgehen. Moderne Autos enthalten einen dritten Ansatz: Sie können die Energie eines Aufpralls abfangen, indem große Teile der Karosserie zerknautschen, bevor der Mensch im Inneren zu Schaden kommt. Aber dieser Vorgang ist nicht umkehrbar.

"Die Natur hat eine Taktik erfunden, die wir nicht haben", sagt David Hu, ein Maschinenbauer des Georgia Institute of Technology in Atlanta: "Zerknautschen und dann weitermachen . . ."

Um zu erkennen, wie Schaben das machen, lockten die Biologen Robert Full und Kaushik Jayaram von der University of California Berkeley die Tiere durch immer kleinere Schlitze und Engstellen und filmten sie mit Hochgeschwindigkeitskameras. Zudem legten sie bis zu 100 Gramm schwere Gewichte auf verschiedene Körperregionen der Insekten und beobachteten, wie die Kakerlaken die Belastung abfedern. Full und Jayaram entdeckten, dass die Schabenart Periplaneta americana mit ihrem neun Millimeter hohen Körper einen nur drei Millimeter hohen Spalt zunächst mit ihren Fühlern abtastet. Dann presst sie ihren Kopf hindurch, gefolgt von den Vorderbeinen, um danach den übrigen Körper durch die Lücke zu ziehen. Die Hinterbeine sind dabei weit nach außen gespreizt, und dennoch schieben auch sie weiter. In nur rund einer Sekunde schlüpft das Tier unversehrt auf der anderen Seite des Spalts heraus.

Kracht eine Wespe gegen eine Scheibe, staucht das ihren Köper. Doch der fährt schnell wieder aus

Die Fähigkeit, sich durch eine Engstelle zu zwängen "geht weit über das hinaus, was bei anderen Tieren messbar ist, außer vielleicht beim Tintenfisch", sagt Stacey Combes, Biologe an der University of California Davis. Aber das Vorbild Tintenfisch dient eher als Modell für weiche Roboter, wie sie ebenfalls erforscht werden. Diese sind aber nie so schnell wie Schaben oder andere Arthropoden. "Auch Krabben, Spinnen und Skorpione sind ziemlich gut beim Erreichen schwieriger Orte - und sie sind ziemlich unzerstörbar", sagt Full. Jayarams und Fulls Studie, die in der vergangenen Woche in der Fachzeitschrift PNAS erschienen ist, zeigt: Das Geheimnis der Schabe liegt in ihrem harten und doch flexiblen Exoskelett. Die anders als beim Menschen außen liegende stützende Struktur besteht aus harten und doch biegsamen Segmenten, die auf effiziente Weise Energie in die Beine weiterleiten und mit elastischen Membranen verbunden sind. Letztere machen es möglich, dass die einzelnen Körpersegmente überlappen, wenn das Insekt zusammengepresst wird. Mit der Hilfe von Wirbeln, die an den Boden gelangen, wenn die Beine gespreizt sind, kann die Schabe selbst im maximal zusammengedrückten Zustand noch vorwärtskommen.

Bei einem Treffen der Gesellschaft für Integrative und Vergleichende Biologie im vergangenen Monat berichtete der Harvard-Forscher Andrew Mountcastle, dass ein ähnliches Zusammenwirken von harten und weichen Körperteilen auch Wespen und Bienen ermöglicht, die häufigen Zusammenstöße mit harten Hindernissen zu überstehen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras entdeckte er, dass Wespen bei einer Kollision komplett gestaucht werden, um danach wieder zu voller Größe auszufahren. Mountcastle bemerkte auch, dass die Flügel der Tiere etwa bei zwei Dritteln ihrer Länge einen Abschnitt aus einem elastischen Protein enthalten. Gemeinsam mit seinem Kollegen Combes stellte er die Vermutung auf, dass dieser Flügelbereich wie eine Knickstelle funktioniert.

Der kleine Roboter lässt sich auf die Hälfte zusammenpressen. Auch dann ist er noch schnell

Um diese Idee zu prüfen, entwickelte der Biologe eine Methode, bei der eine Wespe auf einem rotierenden Motor im Kreis fuhr und der Flügel permanent mit einem Hindernis zusammenstieß. Es zeigte sich, dass die Flügel der Wespen und Bienen nach den Kollisionen unermüdlich ausklappten, wieder und wieder. Als Mountcastle die Flügel schiente, sodass sie nicht einklappen konnten, nahmen sie schnell Schaden. Er und Combes fanden auch heraus, dass viele Insekten über ähnliche Knickstellen im Flügel verfügen. Bei Hummeln hingegen ist es anders: Die Adern, welche den Flügel verstärken, sind dort dicht am Körper konzentriert, sodass die Flügelspitzen biegsamer sind und Zusammenstöße mit Hindernissen abfedern. "Es sind verschiedene Wege mit dem gleichen Ziel", sagt Mountcastle.

Sowohl das Exoskelett der Schabe als auch die Insektenflügel inspirieren nun Robotik-Ingenieure. Der Schabenforscher Jayaram hat einen 75 Millimeter großen Roboter namens "Cram" gebaut, der ein zusammenpressbares Exoskelett wie die Schabe mit "Wirbeln" hat, die sowohl in der Normalstellung wie auch im komprimierten Zustand funktionieren. Das Modell lässt sich auf die Hälfte seiner normalen Größe zusammenpressen und bewegt sich dabei immer noch fünf- bis zehnmal so schnell wie herkömmliche, weiche Roboter, berichtet Jayaram.

Es sei faszinierend, dass man dadurch Roboter in zehnmal so unzugänglichen Umgebungen aussetzen kann als bisher, berichtet Robin Murphy von der Texas A&M University, der sich auf Rettungsroboter für Katastrophengebiete spezialisiert hat. Mountcastle hat sich unterdessen mit Jayaram zusammengetan. Gemeinsam mit Robert Wood wollen sie die Flügel mit eingebautem Klappmechanismus einer fliegenden Drohne namens Robobee einsetzen. "Deren Design ist nicht trivial", erklärte Mountcastle bei seinem Vortrag in Portland. Doch die Gruppe hofft, im Frühjahr einen Prototyp testen zu können.

Dieser Text ist im Original in Science erschienen, dem internationalen Wissenschaftsmagazin, herausgegeben von der AAAS. Weitere Informationen: www.sciencemag.com