Entwickeln Menschen technische Geräte, orientieren sie sich seit grauer Vorzeit immer wieder an Vorbildern aus der Natur. So auch im Fall der Beinstruktur von Saurier und Laufvogel. Ausgehend von der Annahme, dass sich diese Beinstruktur im Laufe der Evolution bewährt hat, haben Wissenschaftler/innen des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der University of California, Irvine, ein Roboterbein konstruiert, das wie sein natürliches Vorbild sehr energieeffizient ist. Dabei profitiert das Bein des BirdBot von einer Fuß-Bein-Kopplung durch ein Netzwerk aus Muskeln und Sehnen, das sich über mehrere Gelenke erstreckt. Durch die gekoppelte Mechanik benötigt BirdBot weniger Motoren als bisherige Laufroboter.
Was bedeutet es, wenn ein Tyrannosaurus Rex vor 66 Millionen Jahren fast die gleiche Beinstruktur hatte wie ein Vogel Strauß, der heute durch die Savanne oder das Zoogehege rennt? Laufvögel wie der Strauß sind ein mechanisches Wunderwerk. Die teilweise über 100 kg schweren Tiere rennen mit bis zu 55 km/h durch die Landschaft. Diese Höchstleistung sei der Beinstruktur zu verdanken. Anders als Menschen klappen bestimmte Vögel den Fuß beim Laufen nach hinten zurück, während sie das Bein zum Körper hochziehen. Warum machen das die Tiere? Wieso erweist sich diese Fußbewegung beim Gehen und Rennen als energieeffizient? Und wie lässt sich der Aufbau der Vogelbeine mit all seinen Knochen, Muskeln und Sehnen auf Laufroboter übertragen?
Menschen ziehen beim Gehen den Fuß hoch und beugen das Knie. Fuß und Zehen zeigen dabei nahezu unverändert nach vorne. Vögel hingegen klappen die Füße in der Schwungphase nach hinten weg. Die Forschenden führen diese Bewegung auf eine mechanische Kopplung zurück: „Es ist nicht das Nervensystem, es sind keine elektrischen Impulse, es ist keine Muskelaktivität“, vermutet Alexander Badri-Spröwitz, der die Forschungsgruppe Dynamische Lokomotion am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme leitet, die an der Schnittstelle zwischen Biologie und Robotik im Bereich der Biomechanik und Neurokontrolle arbeitet. „Wir sehen, dass das Netzwerk aus Muskeln und Sehnen, welches sich über mehrere Gelenke hinweg erstreckt, diese Kopplung ermöglicht. Diese mehr-gelenkigen Muskel-Sehnen-Seilzüge bedingen das Einklappen des Fußes in der Schwungphase. Bei unserem Roboter haben wir die gekoppelte Mechanik im Bein und Fuß implementiert und gezeigt, dass ein Roboter damit sehr energieeffizient und robust laufen kann. Das lässt uns vermuten, dass der Muskel-Sehnen-Seilzug für echte Vögel ähnliche Effizienzvorteile bietet.“ Da keine Energie aufgewendet werde und der Roboter trotzdem unerschütterlich fest stehe, habe die Konstruktion auch beim Stehen Vorteile. Theoretisch könnten jetzt meterhohe Beine für tonnenschwere Roboter gebaut werden, die mit wenig Leistungsaufwand herumlaufen.
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