Bionik Sechsbeiniger Roboter überholt Vorbild aus der Natur

Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Die Gangart von Insekten inspiriert Ingenieure sechsbeiniger Roboter schon länger. Aber ist dies für bionische Roboter wirklich die schnellste Art und Weise der Fortbewegung? Forscher der EPFL und UNIL fanden es heraus.

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6-beiniger Roboter kann sich mit zwei unterschiedlichen Gangarten fortbewegen.
6-beiniger Roboter kann sich mit zwei unterschiedlichen Gangarten fortbewegen.
(Bild: Alain Herzog / EPFL)

Insekten stehen öfter für Roboter Modell, so auch für den Rettungs-Roboter CRAM der sich wie sein Vorbild aus der Natur – die Kakerlake – durch den engsten Schlitz zwängen kann.

Die Ameise war das Vorbild für eine Reihe von Mini-Robotern, die senkrechte Wände hochklettern können und das 2000fache ihres eigenen Gewichts bewegen können.

Auch andere Eigenschaften werden von den biologischen Vorbildern abgekupfert, zum Beispiel die Gangart: Wenn Wirbeltiere rennen, haben die Beine nur minimalen Kontakt mit dem Untergrund. Insekten hingegen rennen mit ihren sechs Beinen am schnellsten, wenn sie eine dreibeinige Gangart nutzen, bei der zwei Beine der einen und eines der anderen Seite Bodenkontakt haben.

Diese dreibeinige Gangart hat lange Zeit die Ingenieure sechsbeiniger Roboter inspiriert. Aber ist dies für bionische Roboter wirklich die schnellste und effizienteste Art und Weise der Fortbewegung auf flachem Untergrund?

Forscher der EPFL und der UNIL haben nun tatsächlich eine schnellere Methode der Fortbewegung von Robotern entdeckt. Die Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Roboter keine adhäsiven Pads als Füße haben, wie sie von Insekten genutzt werden, um sich auch an Wänden und Decken fortbewegen zu können.

Die Wissenschaftler führten eine Menge an Computersimulationen an Robotern sowie Experimenten an Fliegen der Gattung Drosophila melanogaster – einem der am besten untersuchten Organismen der Welt – durch. „Wir wollten herausfinden, warum Insekten eine dreibeinige Gangart nutzen und belegen, ob es für sechsbeinige Insekten und Roboter tatsächlich die schnellste Möglichkeit der Fortbewegung auf dem Boden ist“, erklärt Pavan Ramdya, einer der Leiter der Studie.

Um die vielen möglichen Kombinationen zu testen, haben die Wissenschaftler einen evolutionsähnlichen Algorithmus zur Optimierung der Fortbewegungsgeschwindigkeit eines simulierten Insekts auf Basis der Drosophila genutzt. Schrittweise hat dieser Algorithmus aus den verschiedenen Gangarten die langsamste verworfen und so die schnellste herausgefiltert.

Die Erkenntnisse werfen neues Licht auf Probleme von Biologen als auch von Roboter-Entwicklern: Die übliche dreibeinige Gangart von Insekten ragte heraus, wenn die Wissenschaftler ihr Simulationsmodell für eine Fortbewegung auf vertikalen Flächen mit Hilfe von adhäsiven Pads an den Enden der Beine optimierten. Bei der Fortbewegung in der Ebene ohne Adhäsion hingegen zeigten die Simulationen, dass hier die schnellste und effektivste Gangart jene ist, bei der ständig nur zwei Beine Bodenkontakt haben, auch wenn sich in der Natur kein Insekt so fortbewegt.

„Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass Insekten mit adhäsiven Beinen die dreibeinige Gangart lediglich nutzen, um sich auf dreidimensionalen Oberflächen am effektivsten fortzubewegen. Dies bestätigt eine seit langem bestehende Hypothese in der Biologie“, sagte Ramdya. „Bodenroboter sollten sich daher von der ausschließlich dreibeinigen Gangart verabschieden“.

Fliegen mit Polymer-Stiefeln

Die Wissenschaftler entwickelten einen sechsbeinigen Roboter, der sich sowohl in der drei- als auch in der zweibeinigen Gangart fortbewegen kann. Wiederum erwies sich die zweibeinige Gangart als die schnellere, was die Ergebnisse der Simulation bekräftigt.

Zuletzt untersuchten sie echte Insekten, um herauszufinden, ob Adhäsion ebenfalls eine Rolle in der Gangart der Fliegen spielt. Dazu zogen sie den Fliegen „Stiefel“ aus Polymertropfen an, welche die adhäsiven Pads an den Enden der Fliegenbeine verhüllen und beobachtet was passiert.

Schnell sind die Fliegen dazu übergegangen eine zweibeinige Gangart zu nutzen, wie sie auch die Simulation ergab. „Dieses Ergebnis zeigt, dass Tiere im Gegensatz zu Robotern ihre Gangart neuen Gegebenheiten anpassen können“, sagt Robin Thandiackal.

„Es existiert ein natürlicher Austausch zwischen der Robotik und der Biologie: viele Roboter-Entwickler sind inspiriert von der Natur und Biologen können Roboter nutzen um das Verhalten von Tierarten besser zu verstehen. Wir glauben, unsere Arbeit repräsentiert einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Fortbewegung von Tieren und Robotern.“

Originalveröffentlichung:

P. Ramdya et al.: Climbing favours the tripod gait over alternative faster insect gaits, Nature Comm. 8 (2017) doi:10.1038/ncomms14494

Der Beitrag erschien zuerst auf unserer Schwesterseite Elektronik-Praxis.

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