Entwicklung Ein Schnäuzer für den Roboter

Nicht nur Katzen nutzen ihre Schnurrhaare dazu, Hindernisse zu erkennen, vor allem in der Dunkelheit. Auch andere Tiere wie Ratten und Seehunde besitzen solche empfindlichen Meßgeräte, mit deren Hilfe sie Gegenstände abtasten sowie kleinste Luft- und Wasserströmungen erkennen können. Was in der Natur vielfach verwendet wird, soll künftig auch Robotern zu Diensten stehen.

Forscher der Northwestern University in Illinois haben nämlich eine künstliche Version der Barthaare von Tieren entwickelt, mit denen Roboter in Zukunft in der Lage wären, ihre Umwelt zu ertasten. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 443, S. 525) berichten, können sie aus der Biegung der künstlichen Barthaare - ganz ähnlich den natürlichen Vorbildern - bei Berührung mit Gegenständen exakte Informationen über deren Gestalt gewinnen.

Detektor zur Veränderung der Kraft

Ratten lassen ihre Barthaare kreisen, wenn sie einen benachbarten Gegenstand mit ihnen ertasten. Eine ähnliche Anordnung haben Joseph Solomon und Mitra Hartmann im Labor nachgebaut, indem sie zunächst ein Barthaar einer Ratte am einen Ende mit einem Drehmotor verbanden. Mit dessen Hilfe konnte das Barthaar anschließend wie der Arm eines Krans gedreht werden. In einer bestimmten Entfernung vom verankerten Ende des Haares postierten die Forscher ein stabförmiges Hindernis. Immer, wenn das Haar bei seiner Drehung auf den Stab traf, verbog sich das feine Sinnesorgan. Die Biegung übte dann eine Kraft auf das fixierte Ende aus.

Mit einem Detektor haben die Wissenschaftler die Veränderung der Kraft während des Drehens gemessen. Dabei fanden sie heraus, daß die Meßwerte eindeutig vom Abstand des Hindernisses abhingen. Aus der Kraft konnten sie so auf die Entfernung des Gegenstands schließen. Nicht anders machen es die Tiere in der Natur, wenn sie mit Hilfe von Nerven in ihrem Gesicht jede Bewegung der Schnurrhaarenden spüren und so ihre Umgebung abtasten.

Imitate aus Federstahldraht

In einem weiteren Versuch konstruierten die Forscher nun ein Meßgerät, das aus vier untereinander angeordneten Barthaaren mit von oben nach unten abnehmender Länge bestand. Diesmal handelte es sich nicht um echte Rattenhaare, sondern um Imitate aus dünnem Federstahldraht. Alle vier Drähte waren an einem Ende an einen Stab fixiert. An jedem der Enden befanden sich vier winzige Kraftmesser zum Erfassen der Drahtbiegung, und zwar sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung.

Die Wissenschaftler ließen nun die künstlichen Barthaare - ähnlich einer weichen Bürste - an einem modellierten Kopf vorbeistreichen. Dabei registrierten sie die räumliche Verbiegung an jedem der Drähte. Allein aus dieser Information konnten sie anschließend mit einem Computer das detaillierte Profil des Kopfes berechnen, das äußerst genau mit dem Original übereinstimmte.

Ineinandergreifende „Bürsten“

In einem abschließenden Experiment untersuchten die Forscher, wie Tiere mit Hilfe der Barthaare Wasser- und Luftströmungen wahrnehmen können. Zu diesem Zweck verwendeten Solomon und Hartmann zwei ineinandergreifende „Bürsten“, die jeweils aus vier untereinander angeordneten, diesmal aber gleichlangen dünnen Plastikstäbchen bestanden. Diese gitterförmige Anordnung plazierten sie in einen Luftstrom, der wie ein Hindernis wirkte und die Plastikstäbchen verbog.

Mit Computern waren die Forscher auch hier in der Lage, das genaue Strömungsprofil aus der Biegung der Stäbchen zu berechnen. Die Wissenschaftler sind zuversichtlich, die künstlichen Barthaare in naher Zukunft als Sensoren für Roboter und Unterwasserfahrzeuge nutzen zu können.