Klapperschlangen : Auf sandigen Pfaden zu Hause
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Im Geäst von Bäumen fühlt sich Snakebot ebenso zu Hause wie auf sandigem Terrain. Bild: Nico Zevallos and Chaohui Gong, CARNEGIE MELLON UNIVERSITY
Seitenwinder-Klapperschlangen haben eine spezielle Fortbewegungsart, mit der sie nie ins Rutschen kommen. Einem Roboter wurde diese Fähigkeit beigebracht.
Giftschlangen sind eher ungewöhnliche Studienobjekte für Wissenschaftler und Ingenieure. Doch die Forscher um Hamidreza Marvi vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und Chaohui Gong vom Robotics Institute an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh (Pennsylvania) haben sich aus gutem Grund im Zoo von Atlanta ein Labor eingerichtet. Als sie nach Anregungen für die Konstruktion von Robotern suchten, die auch auf sandigem Terrain flott vorankommen, waren sie auf die Seitenwinder-Klapperschlange (Crotalus cerastes) gestoßen.
In Wüstengebieten im Südwesten von Nordamerika zu Hause, erklimmt diese Schlange mühelos die Abhänge von Dünen, ohne im lockeren Sand abzurutschen oder gar steckenzubleiben. Wie ihr das gelingt, zeigte das Reptil auf Wüstensand, der eigens aus Arizona nach Atlanta transportiert wurde: Wenn der Anstieg steiler wurde, vergrößerte sie die Kontaktfläche mit dem Untergrund und verringerte dadurch den Druck auf den losen, zum Rutschen neigenden Sand.
1:0 für die Klapperschlange
Dass sich die Seitenwinder-Klapperschlange auf ganz andere Art und Weise fortbewegt, als es bei Schlangen allgemein üblich ist, verrät schon ihr Name: Statt mit dem Kopf voran kriecht sie seitwärts durchs Gelände. Dabei entstehen keine Schlangenlinien im Sand, sondern merkwürdig gerade Linien, die annähernd parallel verlaufen, jede etwa so lang wie das davonkriechende Tier selbst. Dazwischen hinterlässt die Schlange keinerlei Spuren, weil ihr Körper dort keinen Bodenkontakt mit dem Untergrund hat. Statt sich wie die meisten Schlangen seitlich abzustoßen und zugleich kontinuierlich vorwärtszugleiten, trennen Seitenwinder-Klapperschlangen die Bewegungsphase vom Bodenkontakt.
Während sich der eine Körperabschnitt gegen den Untergrund presst, hebt sich der nächste davon ab und windet sich ein Stück weiter. Vergleichbar mit einem rückwärtsrollenden Rad, wandert der stationäre Abschnitt nach und nach in Richtung Schwanz. Kurz hinter dem Kopf nimmt der Schlangenkörper dagegen ab und an neuen Bodenkontakt auf.
Welchen Vorteil so ein eigenartiger Kriechgang hat, demonstrierte ein Vergleich mit Schlangen, die diese Technik nicht beherrschen. Hektisch schlängelnd, brachten die Tiere die Sandkörner in Bewegung und kamen oft schon auf einer ebenen Fläche ins Rutschen. Als die Forscher um Marvi die Versuchsarena ein wenig kippten, so dass es etwas bergauf ging, fanden die schlängelnden Schlangen noch weniger Halt. Manche versuchten ganz vergeblich, irgendwie vorwärtszukommen.
Ein Roboter lernt auch, zu kriechen
Die Wissenschaftler wollten nun wissen, ob man Robotern die Fähigkeit der Seitenwinder-Klapperschlage beibringen kann. Doch der erste Test mit der an der Carnegie Mellon University entwickelten Roboter-Schlange scheiterte zunächst kläglich. Selbst kleine Steigungen machten dem Automaten zu schaffen. Wenn lockerer Sand sorgfältig eingeebnet war, kam der aus 17 beweglichen Segmenten zusammengesetzte Snakebot zwar gut voran.
Aber schon bei geringer Schräge rutschte er ab und kippte um. Die neueste Version von Snakebot bewältigt Steigungen allerdings recht zuverlässig. Denn mittlerweile haben die Konstrukteure das Bewegungsprogramm nach dem Vorbild der Seitenwinder-Klapperschlange optimiert, wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten.
Der Trick mit dem Bodenkontakt
Die Forscher um Chaohui Gong hatten beobachtet, dass die Roboter-Schlange in der Lage ist, sandige Abhänge emporzukriechen, ohne abzurutschen. Doch mit zunehmender Steigung wird sie langsamer, denn ein immer größerer Teil ihres Körpers schmiegt sich eng an den Untergrund. Bei den steilsten Hängen, die sie erklimmen kann, sind es etwa fünfzig Prozent.
Was hinter diesem vermehrten Bodenkontakt steckt, zeigten wissenschaftliche Sandkastenspiele: Je steiler ein Abhang aus Sand, desto weniger Druck ist nötig, um ihn ins Rutschen zu bringen. Um trotzdem ein Abrutschen zu vermeiden, muss die ausgeübte Kraft folglich auf eine größere Fläche verteilt werden. Diverse Schlangen, die sandreiche Wüsten bevölkern, benutzen dieselben Tricks wie die Seitenwinder-Klapperschlange.
Anscheinend hat das Nervensystem im Laufe der Schlangen-Evolution mehrmals entsprechende Steuerungsmechanismen entwickelt. Roboter, die nach solchen Vorbildern konstruiert und programmiert werden, sollten sich künftig über Staub und Schutt schicken lassen, um enge, verwinkelte Hohlräume zu erkunden. Sei es, dass in eingestürzten Gebäuden nach Überlebenden gesucht werden muss, sei es, dass Archäologen seit langem verschüttete Bauwerke inspizieren wollen.
