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Problemtiere für Ingenieure

Von PIOTR HELLER, Illustrationen von JULIE SODRÉ

13. Mai 2020 · Es gibt gute Gründe, Roboter zu konstruieren, die krabbeln, schlängeln, oder laufen können – wenn es nur nicht so schwierig wäre.

An einem Freitag vor ziemlich genau elf Jahren begann das Ende der Marssonde „Spirit“. Auf der Erde war es der 1. Mai 2009, als die Räder des Rovers durchdrehten. Spirit fuhr gerade zu einer vulkanischen Erhebung. Plötzlich kam er nicht weiter. Wie sich herausstellte, waren seine sechs Aluminiumräder, von denen eines ohnehin nicht mehr funktionierte, durch eine dünne Kruste gebrochen und in lockerem Sand gelandet. In den nächsten Monaten berechneten Nasa-Ingenieure mögliche Manöver, um Spirit zu befreien. Es half nichts. Die Räder versanken immer weiter. Die Nasa nutze die Sonde fortan als stationäre Forschungsplattform.

Ein nicht eben heroisches Ende. Spirit hatte die mehrmonatige Reise durchs All überstanden und eine Landung auf dem Roten Planeten mittels Prallsäcken, hatte sechs Jahre lang den Marswinden getrotzt und dabei 7,7 Kilometer zurückgelegt. Am Ende war ihm ein bisschen Sand zum Verhängnis geworden.

Ein Grund dafür ist, dass Räder nicht gut mit unwegsamem Gelände zurechtkommen. Das Fahren ist zwar eine der effizientesten Arten maschineller Fortbewegung, aber es erfordert Infrastruktur. Nicht umsonst ist heute alles voller Straßen, Brücken und Schienen. Sie räumen den Rädern die naturgegebenen Unebenheiten aus dem Weg: Schlamm und Sand, in dem sie steckenblieben, Geröll, das sie nicht überwinden und Steigungen, auf denen sie durchdrehen würden. Um Maschinen und Roboter zu bauen, die mit solchen und anderen Hindernissen von sich aus zurechtkommen, lassen sich Ingenieure zuweilen von der Natur selbst inspirieren, die im Laufe der Erdgeschichte zwar nie ein Rad hervorgebracht hat, dafür viele Millionen von Tierarten mit den unterschiedlichsten Fortbewegungsapparaten.

Findige Ameise

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Bei der biologisch inspirierten Robotik geht es nicht nur darum, die Bewegungen von Tieren zu imitieren, sondern auch andere Fähigkeiten. Der „Ant Bot“ etwa ahmt die Navigation von Wüstenameisen nach. Diese Tiere nutzen keine Duftstoffe, denn die würden in der Hitze ohnehin nicht lange halten. Stattdessen merken sie sich ihre Bewegungen, während sie nach Futter suchen, und berechnen daraus den kürzesten Weg zurück zum Nest. Die korrekte Richtung ermitteln sie anhand des Sonnenstandes. Der „Ant Bot“ kann das auch. Den Sonnenstand liest er an bewölkten Tagen, wie die Ameisen auch, an der Polarisation des Sonnenlichts ab. Nach einem Spaziergang von zehn Metern findet er damit auf zehn Zentimeter genau an seinen Ausgangsort zurück. Maschinen mit diesen Fähigkeiten könnten irgendwann autonom Gegenden erforschen, an denen es kein GPS gibt – zum Beispiel die Planeten und Monde unseres Sonnensystems.

Der Apothekerskink etwa, eine Echsenart, kann über die Steine der Sahara laufen und bei Gefahr unter dem Sand der selbigen schwimmen wie ein Krokodil im Wasser. Schmuckbaumnattern kriechen nicht nur über die Böden südostasiatischer Wälder, sondern erklimmen Bäume, springen von dort aus ab, spreizen ihre Rippen zu einer Art Flügelprofil und gleiten von Ast zu Ast. Kakerlaken können innerhalb einer Sekunde das 25-Fache ihrer Körperlänge zurücklegen – ein Auto müsste dafür 450 Kilometer pro Stunde fahren. Die Tiere schaffen dieses Tempo auf laubbedeckten Waldböden genau so gut wie auf den Kacheln eines New Yorker Appartements. Bei Gefahr quetschen sie sich in Öffnungen, die lediglich ein Viertel ihrer Körperhöhe ausmachen. Um sich darin fortzubewegen spreizen sie ihre Beine und laufen wie Krabben.

Labile Schlange

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Seit zwanzig Jahren tüfteln Forscher der Carnegie Mellon University an ihren Schlangenrobotern. Sie können in Wellenbewegungen kriechen, sich seitlich schlängeln, rollen und sogar Bäume erklimmen. Dafür umschlingen sie den Baum wie eine Spirale und rotieren anschließend um ihre Längsachse. Ihren großen Auftritt hatten sie 2017, als ihre Konstrukteure sie nach Mexiko-Stadt schickten, wo sie nach einem Erdbeben dort dem Roten Kreuz bei der Suche nach Verschütteten helfen sollten. Doch dabei stießen die Maschinen schnell an ihre Grenzen. Man konnte sie zwar in enge Öffnungen hinablassen, wo sie sich dann umsahen. Sie schafften es aber nicht, sich dort wirklich frei zu bewegen und etwa große Trümmer zu überwinden.

Bei der biologisch inspirierten Robotik geht es darum, die Prinzipien dieser tierischen Fortbewegung zu verstehen und auf Maschinen zu übertragen. So ist in den letzten Jahrzehnten ein ganzer Zoo an Robotertieren entstanden. Durch die Labore der University of California in Berkeley krabbelt zum Beispiel der Kakerlaken-Roboter „Cram“. Er besteht aus einem Verbundwerkstoff, bei dem eine weiche Schicht wie in einem Sandwich zwischen zwei harte geklemmt wird. Die weichen Teile bilden Scharniere, mit denen die Maschine sich zusammenfalten und durch flache Öffnungen quetschen kann. Cram ist jedoch nicht so gut wie das Original und schafft lediglich Spalten, die halb so hoch sind wie er. Seine sechs Beine sind L-förmig. Normalerweise läuft er auf den unteren Schenkeln des L. Sobald er sich zusammenquetschen muss, werden die Beine wie bei der Kakerlake nach außen gedrückt, und Cram kommt auf den oberen Schenkeln voran.

Mit Kameras, Mikrofonen und Wärmesensoren ausgestattet, könnten solche Maschinen einmal in Erdbebentrümmern nach Verschütteten suchen. Weil sie relativ simpel und dadurch günstig sind, müsste man sie nach getaner Tat noch nicht mal einsammeln. Suchaktionen sind auch die Vision für Schlangenroboter der Carnegie Mellon University, die wie die das biologische Original aus vielen, sich wiederholenden Segmenten bestehen. Das macht sie flexibel, weshalb sie nicht nur Bäume erklimmen, sondern sich auch durch Rohre schlängeln können. In Miniaturversionen manövrieren sie dereinst vielleicht mal durch den menschlichen Körper, um bei Operationen zu assistieren. Dabei könnten auch Maschinen wie der Jellyfishbot vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme zum Einsatz kommen – eine mechanische Qualle, die nur einen halben Zentimeter groß ist. Sie ahmt die Antriebsart echter Quallen nach, indem sie eine dünne Membran zusammenzieht, um Wasser nach hinten und sich somit nach vorne zu drücken. Energie und die Befehle bekommt sie über ein Magnetfeld von außen. Eine solche mikroskopische Qualle wäre durchaus in der Lage, durch den Harntrakt von Krebspatienten zu schwimmen und dort Medikamente gezielt an einen Tumor zu befördern. Und durch die Lüfte fliegen derzeit nicht nur künstliche Fledermäuse, deren Flügel die Knochenstruktur des Originals nachahmen und mit einer künstlichen, elastischen Haut bespannt sind, sondern auch winzige Bienen-Roboter, die in Zukunft Pflanzen bestäuben könnten.

Hybride Taube

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Was aussieht wie ein Entwurf aus Leonardo da Vincis Skizzenheft, ist in Wahrheit ein aktueller Roboter von Ingenieuren der Stanford University. Die Flügel des „Pigeon Bot“ sind exakt der Knochenstruktur echter Tauben nachempfunden und ebenso beweglich. Die Federn stammen von toten Vögeln, was diesen Roboter zu einem Hybriden aus biologischen und technischen Komponenten macht. Die Forscher wollten mit der Maschine den Fluggeheimnissen von Tauben auf die Spur kommen. Dabei fanden sie unter anderem heraus, dass die Tiere lediglich ihre Finger zu bewegen brauchen, um Kurven zu fliegen. Außerdem entdeckten sie durch Zufall eine Schicht auf den Federn, die an Klettverschlüsse erinnert. Sie verhindert, dass sich die Federn zu weit spreizen und aerodynamisch ungünstige Lücken entstehen.

Wenn das alles so gut klappt, warum ist Spirit dann nicht einfach elegant auf sechs Beinen über den Mars spaziert? Und warum schickt man nach Erdbeben immer noch richtige Hunde in eingestürzte Gebäude und nicht die agilen Hunde-Roboter, die auf Internetvideos Hindernisparcours überwinden? Tatsächlich muss man lange suchen, um biologisch inspirierte Roboter im echten Einsatz zu finden. Zu den wenigen gehört ein mechanischer Skorpion der Firma Toshiba, der 2017 das Innere des havarierten Reaktorblocks 3 in Fukushima filmen sollte. Doch das Einzige, was die Maschine mit dem Tier gemeinsam hatte, war ein nach oben klappbarer Schwanz. Dort waren eine Kamera und Lichter angebracht. Ansonsten fuhr dieser Skorpion auf Ketten und blieb damit schließlich stecken. Seine Aufgabe konnte er ebenso wenig erfüllen wie die Carnegie-Mellon-Schlangen, die 2017 nach einem Erdbeben in Mexiko bei Sucharbeiten helfen sollten und Probleme hatten, über Trümmerteile hinwegzukriechen.

In der Nordsee wird derweil der vierbeinige Roboter „Anymal“ getestet. Er patrouilliert dort auf einer Ölbohrplattform, weil er Treppen steigen und sich selbst zurechtfinden kann. Boston Dynamics hat mit „Spot“ auch einen kommerziellen, maschinellen Vierbeiner im Angebot und vermarktet ihn als eine Art mechanischen Wachhund. Ansonsten haben die krabbelnden, laufenden und flatternden Maschinen heute noch lange keine unwegsamen Gelände oder den Himmel erobert, sondern höchstens die Flure von Forschungseinrichtungen. Ingenieure arbeiten daran, das zu ändern, aber dabei stehen sie vor einer ganzen Reihe von Herausforderungen.

Robuster Gepard

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Das Problem mit frühen Prototypen ist, dass sie leicht kaputtgehen. So war es auch beim „Cheetah 3“, dem Geparden-Roboter des Massachusetts Institute of Technology. Gegenüber dem Magazin IEEE Spectrum sagten Ingenieure, dass sie die vierzig Kilogramm schwere Maschine während ihrer Forschung gerade mal ein Prozent der Zeit wirklich laufen ließen. Ansonsten hätten sie den mechanischen Geparden entweder repariert oder aufwendig auf den Einsatz vorbereitet, damit er nicht kaputtgeht. Beim „Cheetah Mini“ ist das anders. Er wiegt neun Kilogramm und ist kompakt aufgebaut. Dadurch ist er weder fragil noch gefährlich. Die Maschine läuft praktisch im Dauerbetrieb und dient als Forschungsplattform für Algorithmen, die sie in katzenartige Bewegungen versetzen. „Cheetah Mini“ kann knapp 15 Kilometer pro Stunde rennen, springen und sogar einen Rückwärtssalto vollführen. Momentan bringen die MIT-Ingenieure ihm bei, stets auf den Beinen zu landen, wenn er geworfen wird.

Da wäre etwa das Problem, dass Roboter so empfindlich sind. Wenn sie umfallen, zerbricht leicht etwas Wichtiges. Eine Lösung dafür ist, die Maschinen kompakter und damit robuster zu bauen. Diesen Weg sind Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology mit ihrem „Mini Cheetah“ gegangen. Solchen Robotern tun Stürze nichts, doch Wasser, Matsch und Staub werden ihnen immer noch gefährlich. Das mussten etwa Forscher des Georgia Institute of Technology erfahren, die 2009 eine Maschine über Sand laufen lassen wollten. Ihr „Sandbot“ hatte sechs C-förmige Beine, die ständig rotierten, wobei immer drei Beine den Boden berührten. Das gab dem mechanischen Insekt eine gewisse Stabilität, ohne komplizierte Berechnungen für die Steuerung der Beine nötig zu machen. So kam der Roboter durch unwegsames Gelände und legte dabei zwei Körperlängen pro Sekunde zurück – auf den Menschen übertragen wäre das Joggingtempo.

Doch bei Versuchen im Sand versagte die Maschine, wie der Mathematiker und Tierbewegungsexperte David L. Hu vom Georgia Institute of Technology in einem Buch „How to walk on Water and Climb up Walls“ schreibt. Nach ein paar Läufen sei dem Roboter Sand zwischen die Zahnräder geraten und habe sie blockiert, bis der Motor überhitzte. Die Forscher ersetzten den Sand daraufhin durch maschinenschonende Mohnsamen. Als der Sandbot danach endlich unterwegs war, erreichte er nur ein Zehntel der erwarteten Geschwindigkeit, denn seine Füße schlugen so hart auf die Körner auf, dass sie darin versanken wie in einer Flüssigkeit. Die Forscher mussten zurück ans Reißbrett.

Nach einiger Überlegung ließ man die Beine schnell rotieren, solange sie in der Luft waren, und bremste sie ab, als sie die Körner berührten. Der Sandbot stampfte daraufhin mit einer Körperlänge pro Sekunde durch die Körner. Die Wissenschaftler untersuchten daraufhin, wie sich die Körnchen unter den Füßen der Maschine verhielten, indem sie Luft in den Untergrund pusteten und damit seine Dichte variierten. Damit brachten sie ein weiteres Problem der Tier-Roboter einer Lösung näher: Um die Wechselwirkung von fliegenden oder schwimmenden Maschinen mit ihrer Umwelt zu beschreiben, gibt es Modelle aus der Aero- oder Hydrodynamik. Lose Untergründe wie Sand oder Erde sind ebenso komplex, jedoch kaum theoretisch beschrieben, was die Entwicklung von Robotern erschwert. Das könnte sich dank der Arbeit mit dem Sandbot ändern. Die Wissenschaftler haben diesen Forschungszweig „Terradynamics“ genannt – Erddynamik.

Primitive Libelle

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In den siebziger Jahren ließ die CIA eine mechanische Libelle entwickeln, um unauffällig Wanzen an ihr Ziel zu befördern. Von einem Uhrmacher gefertigt, war sie genauso groß wie das tierische Original und wog ein Gramm. Sie trug eine Brennkammer in ihrem Bauch, wo eine chemische Reaktion Gas erzeugte, das wiederum die Flügel schwingen ließ. So konnte der Roboter sich eine Minute lang in der Luft halten und 200 Meter zurücklegen. Zudem hatte die Libelle Metallstreifen an Bord, die sich über zwei Infrarotlaser aus der Ferne verbiegen ließen. Einer der Laser kontrollierte damit den Schub, der andere die Flugrichtung. Doch das klappte nicht gerade gut. Selbst minimale Seitenwinde machten der Minidrohne zu schaffen, weshalb sie letztendlich nie zum Einsatz kam. So lautet zumindest die offizielle Version der CIA.

Doch selbst etablierte Felder wie die Hydrodynamik halten Überraschungen bereit. Ein Team aus Harvard wollte 2012 ausmessen, welchen Vorteil die vielbeschworene Haifischhaut wirklich bringt. Bis dahin dachte man, die rauhe Oberfläche würde die Reibung des Wassers reduzieren. Sie klebten die Haut eines Hais auf verschiedene mechanische Flossen, ließen sie im Wasser schlagen und ermittelten die resultierenden Kräfte. Das Ergebnis überraschte: War die Flosse hart, brachte Haifischhaut gar keinen Vorteil. Eine flexible Flosse aber, die sich wie ein Hai bewegte, erhöhte den Vortrieb um zwölf Prozent. Weitere Untersuchungen ergaben, dass erst die Kombination aus Haut und korrekter Bewegung die Wasserverwirbelung so veränderte, dass sie den Hai praktisch nach vorne zog.

Die Fortbewegung von Tieren ist eben ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren – neben Bewegung und Körperoberfläche etwa auch Knochenstruktur oder die Wahrnehmung der Umgebung. In der Natur haben sich diese Komponenten über Jahrmillionen parallel entwickelt und gegenseitig beeinflusst. Von null auf Maschinen zu bauen, die dieses Zusammenspiel beherrschen, ist schwierig.

Flotter Thunfisch

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Die Konstrukteure des „Tuna Bot“ haben zunächst die Bewegung von Thunfischen vermessen. Dann wählten sie die Materialien und die Struktur ihrer Maschine so aus, dass sie das Schwimmverhalten des Tieres bis ins kleinste Detail nachahmte. Das Ergebnis ist, dass die Verhältnisse von Schlagfrequenz der Flosse, Geschwindigkeit und Energieverbrauch dem Original stark ähneln, heißt es von den Forschern. Der Roboter kann mit seiner Schwanzflosse 15 Mal pro Sekunde schlagen, was für derartige Maschinen ungewöhnlich schnell ist. Die Wissenschaftler experimentieren mit dem „Tuna Bot“, um den Schwimmstil von Thunfischen zu verstehen und so irgendwann unterseegängige Forschungs- oder Militärdrohnen zu bauen, die ohne Schiffsschrauben auskommen.

Am deutlichsten wird das bei Robotern, die auf zwei Beinen laufen. Sie haben zumeist in jedem Gelenk Sensoren, die aktuelle Positions- und Bewegungsdaten an einen Computer schicken. Der berechnet die korrekte Bewegung und schickt diese Informationen an die einzelnen Gelenkmotoren zurück. Doch so läuft kein Mensch. Unser Gang basiert vielmehr auf einer optimalen Abstimmung von Muskeln, Sehnen und Skelett. So nutzen wir beim Laufen etwa die Pendelbewegung der Arme und der Hüfte aus, was uns Stabilität gibt und Energie spart. Maschinen, die jedes Gelenk aktiv steuern, können das nicht. Das hat zur Folge, dass einer der bekanntesten zweibeinigen Roboter, Hondas „Asimo“, nicht nur läuft, als würde er schleichen, sondern dabei auch noch zehnmal mehr Energie verbraucht als ein Mensch.

Stabile Kakerlaken

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Kakerlaken können einem Druck standhalten, der dem Neunhundertfachen ihres Körpergewichts entspricht. Ingenieure der University of California in Berkeley wollten einen Roboter bauen, der Ähnliches schafft. Das Ergebnis erinnert optisch allerdings nur entfernt an eine Kakerlake. Es ist eine Folie aus Metallen, Kunststoff und piezoelektrischem Material. Letzteres vibriert, wenn man einen Wechselstrom anlegt, wodurch die Maschine sich nach vorne bewegt – und zwar mit 20 Körperlängen pro Sekunde, was durchaus dem Tempo einer echten Kakerlake entspricht. Anders als einer solchen macht es dem kleinen Roboter nichts aus, wenn man sich auf ihn draufstellt – er kann das Millionenfache seines Körpergewichts aushalten.

Bereits 2007 kritisierten Autoren eines Science-Artikels, dass die Konstrukteure biologisch inspirierter Roboter zu sehr auf Regelungstechnik setzten, um alle Teile zentral zu steuern. Das mache die Robo-Tiere zu kompliziert. Stattdessen solle man sich passive Mechanismen einfallen lassen. Ingenieure aus Harvard haben Derartiges mit ihrer nur 0,08 Gramm schweren Roboterbiene umgesetzt. An den Flügeln des Insekts gab es eigentlich nur zweierlei zu steuern: Flatterbewegung und Winkel. Die Konstrukteure haben die Materialien der Flügel aber so gestaltet, dass sie ihren Winkel beim Flattern automatisch anpassten.

Der Nutzen passiver Mechanismen ist letztes Jahr einem Team der Johns-Hopkins-Universität aufgefallen. Die Forscher, zu denen auch der Konstrukteur des Sandbots gehörte, standen vor einer ungewöhnlichen Frage: Warum kippen Schlangen nie um? Die Ingenieure hatten nämlich einen Schlangenroboter gebaut, der eine glatte Stufe hochklettern konnte. Er ahmte dabei präzise die Bewegungen einer Königsnatter nach. Die etwa vierzig Zentimeter langen Tiere teilen ihren Körper auf der Stufe in drei Segmente. Der vordere und hintere Teil – also die Teile, die auf den ebenen Flächen sind – vollführen Wellenbewegungen. Und der mittlere Teil ist technisch gesehen wie ein Träger, der den Höhenunterschied überwindet. Die Wissenschaftler konstruierten nun einen Roboter, der nichts anderes tat. Dennoch kippte er immer wieder um, wenn er sich die Stufe hochschlängelte. Die Forscher hätten ihren Steuerungsmechanismus überdenken können. Stattdessen wählten sie einen anderen Weg: Sie überdachten den Körper ihrer Maschine. Er war viel härter als der des biologischen Originals. Also bauten sie der Roboterschlange eine Art Federung ein. Das machte sie anschmiegsamer und gab ihr mehr Bodenhaftung. Von da an kippte sie nicht mehr um.

Lautes Maultier

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Das „Legged Squad Support System“, kurz LS3, war ein nahezu perfekter Tierroboter – zumindest aus der Perspektive von Ingenieuren. Die Firma Boston Dynamics entwickelte die Maschine 2009 im Auftrag des Pentagons. Sie sollte Soldaten ihr schweres Feldgepäck abnehmen. Tatsächlich konnte sie bis zu 180 Kilogramm davon 32 Kilometer weit tragen. Die Umgebung nahm der künstliche Packesel mit Stereo-Kameras und Lidar wahr – in etwa so wie die heute getesteten autonomen Autos das tun. Die Steuerung der Beine von LS3 war so gut, dass er Steine, Büsche und Gras problemlos überwand und dabei automatisch seinem Soldaten folgen konnte. Manche Anstiege machten der Maschine Probleme, aber wenn sie umfiel, konnte sie allein wieder aufstehen. Ein Detail allerdings störte aus militärischer Perspektive: LS3 klang mit seinem Verbrennungsmotor wie ein Rasenmäher und erwies sich damit als untauglich für militärische Operationen. 2015 mottete das Militär den Robo-Maulesel ein.

Mit ihrer Arbeit haben sie nicht nur eine Schlage gebaut, sondern auch zum Verständnis von Schlangenbewegungen beigetragen. Das ist der eigentliche Sinn vieler Exemplare aus dem Roboter-Zoo. Sie helfen, die Tiere zu verstehen, die sie imitieren, was wiederum zu besseren Robotern führt. Dabei kommt es immer wieder zu überraschenden Erkenntnissen. Forscher aus der Schweiz und Frankreich präsentierten 2007 einen Salamanderroboter, der fast ohne zentrale Steuerung auskam. Die 85 Zentimeter lange „Salamandra robotica“ bestand aus zehn baugleichen, wasserfesten Modulen, die mit Scharnieren aneinander befestigt waren. Jedes Modul hatte einen Motor, mit dem es seinen Winkel zum Nachbarmodul steuern konnte. Das erste Modul gab einen Takt vor, mit dem es gegenüber dem zweiten hin und her wackelte. Das zweite Modul übertrug diese Bewegung auf das dritte und so weiter, bis Salamandra Wellenbewegungen vollführte. Es gab keine zentrale Steuerung, jedes Modul „sah“ ausschließlich seine Nachbarn. Zusätzlich hatte Salamandra Beine, die rotierten und ebenfalls über den Takt des ersten Moduls gesteuert wurden. Gab man diesem ersten Modul einen schnellen Takt vor, wanderte eine Welle über den Körper von Salamandra. Sie entsprach exakt der Bewegung echter Salamander beim Schwimmen. Verlangsamten sie den Takt, ging die Maschine automatisch in eine stehende Welle über, was dem Laufverhalten von Salamandern entsprach.

Salamandra robotica zeigt, dass sich auch komplexe Bewegungsabläufe mit simplen Befehlen steuern lassen. Und sie verrät auch etwas über die Evolution: Offenbar mussten Urviecher kein aufwendiges neues Nervensystem entwickeln, um die ersten Schritte aus dem Wasser an Land zu schaffen. Die biologisch inspirierten Maschinen selbst hat diese simple Steuerung ebenfalls näher an einen entscheidenden Schritt gebracht – den Schritt hinaus aus den Laboren und Forschungseinrichtungen in die echte Welt und vielleicht irgendwann zum Mars.


Quelle: F.A.S.

Veröffentlicht: 13.05.2020 16:58 Uhr