Tiere liefern mit ihrer Laufmechanik das Vorbild für Roboter, die rasch und energieeffizient auch unebenes Gelände bewältigen

Corvallis (USA) - Tritt ein rennendes Huhn in ein Schlagloch, stört das kaum sein Vorwärtskommen: Nachdenken ist überflüssig, weil die Laufmechanik vieler Tiere solche Hindernisse geschickt ausgleicht. Deshalb dienen Perlhühner oder auch Kakerlaken als Vorbilder für schnelle Roboter, die statt Rädern Beine besitzen und sich auch in unebenem Gelände rasch und energiesparend vorwärts bewegen können. Wie die Tiere ihre Beine nutzen und dabei Laufstabilität erreichen, beschreiben US-Forscher im Fachblatt "Bioinspiration & Biomimetics". Ihre Simulationen sollen jetzt als Grundlage tatsächlicher Laufroboter dienen, die sich auch in für Menschen zu gefährlicher Umgebung bewegen können - von Rettungs- und Militäreinsätzen bis zur Bewegung im All. Denkbar sind aber auch Impulse für neuartige Prothesen.

"Kakerlaken sind unglaublich. Sie können schnell rennen, auf einer kleinen Münze wenden, problemlos über unebenen Untergrund laufen und schneller auf Störungen reagieren, als ein Nervenimpuls wandern kann", erklärt John Schmitt, Professor für Ingenieurwesen an der Oregon State University. Das bedeute, dass Kakerlaken in gewissem Rahmen über das Laufen nicht nachdenken müssten - ihre Muskelaktion arbeite instinktiv und benötige keine Abstimmung zwischen Reflexen und Hirn. Schmitts Team und Kollegen der Florida State University machten sich also daran, die grundlegenden biologischen und mechanischen Prinzipien zu bestimmen, welche Tieren ein gutes und müheloses Laufen ermöglicht. So passen Perlhühner die Länge und den Winkel ihrer federnden Beine derart automatisch an, dass sie sogar Unebenheiten von bis zu 40 Prozent ihrer Hüfthöhe ohne nennenswerte Mühe ausgleichen. Beim Menschen würde dies 40 Zentimeter tiefen Schlaglöchern entsprechen, die er in vollem Tempo durchlaufen muss. Kakerlaken ihrerseits verlangsamen ihr Tempo nur um etwa 20 Prozent, wenn sie Hindernisse von dreifacher Hüfthöhe überwinden.

Physiker beschreiben die Beinbewegung gleichmäßig rennender Tiere mit dem Modell des abgefederten, auf dem Kopf stehenden Pendels (spring-loaded inverted pendulum SLIP) - das Hüftgelenk bildet quasi den Aufhängungspunkt des Pendels. Während das Modell die Beindynamik allerdings mit einer simplen Energie erhaltenden Feder arbeitet, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit, nutzen Insekten und andere Tiere Strukturen, welche während des Bewegungsablaufes Energie abführen, speichern und produzieren. Das Regeln von Energiespeichern und -verbrauchen im Bein statt im Kopf sei wichtig für die Stabilität des Gangs, hätten kürzliche Untersuchungen gezeigt. Nun dehnten Schmitt und Kollegen ihre bisherige Analyse des SLIP-Modells aus und schlossen auch Details zum Auftreffwinkel des Beins ein, um Energieverschiebungen während der Bewegungsphasen zu berücksichtigen. Damit erreichten sie eine Darstellung kompletter Stabilität der Gangbewegung: Störungen durch vertikal variierenden Boden (drop-step perturbation) konnten die Laufsimulation nun kaum mehr stören, eine plötzliche Senke von 30 Prozent der simulierten Hüfthöhe wurden schnell wieder ausgeglichen.

"Das zeigt, dass die Gangstabilität der Tiere mehr damit zu tun hat, wie sie gebaut sind, als wie sie reagieren", erklärt Schmitt. Sein neues Konzept und Computermodell soll künftigen Laufrobotern in punkto Energieeffizienz und möglichst niedrigem Rechenaufwand als Vorbild dienen. Bisher existieren zwar Laufroboter, die sich auf zwei oder mehr Beinen fortbewegen und sogar Treppen steigen können. Doch kein Exemplar ist in der Lage, sich so schnell und energiesparend fortzubewegen wie Roboter auf Rädern. Für das Vorwärtskommen auf zunehmend unebenem Gelände stoßen Räder allerdings schnell an Grenzen.