BirdBot: Mit Straußenbeinen laufen Roboter schneller und energieeffizienter
Große Laufvögel können schnell und mit wenig Energieaufwand laufen und stehen. Forscher machen sich das für die Konstruktion von Roboterbeinen zunutze.
(Bild: Max Planck Institute for Intelligent Systems)
Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) und der University of California haben gemeinsam die Beinstruktur von Laufvögeln insbesondere von Straußen beobachtet und auf Basis ihrer Forschungsarbeit BirdBot entwickelt, einen Roboter-Laufmechanismus, der sich an dem natürlichen Vorbild orientiert.
Schnelles und effizientes Laufen
Flugunfähige Laufvögel wie der Strauß seien "ein mechanisches Wunderwerk", schreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu ihrem in Science Robotics veröffentlichten Paper "BirdBot achieves energy-efficient gait with minimal control using avian-inspired leg clutching". Verantwortlich für die hohe Laufgeschwindigkeit von bis zu 55 km/h bei hoher Energieeffizienz sei die Beinstruktur der mehr als 100 kg schweren Vögel. Anders als der Mensch winkeln sie ihre Beine beim Gehen und Laufen nach hinten ab und klappen in der Schwungphase auch ihre Füße nach hinten. Der Mensch beugt dagegen seine Knie, die Füße zeigen über die gesamte Bewegungsphase nahezu unverändert nach vorn.
Das Forscher-Team rund um Alexander Badri-Spröwitz, Leiter des BirdBot-Projektes, vermutete, dass der Beinaufbau und der spezielle Bewegungsablauf der Strauße maßgeblich für die Energieeffizienz und Laufsicherheit verantwortlich sind. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass die Bewegung auf einer mechanischen Rückkopplung beruhe. "Es ist nicht das Nervensystem, es sind keine elektrischen Impulse, es ist nicht die Muskelaktivität", sagt Badri-Spröwitz. Stattdessen vermuteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine "Fuß-Bein-Kopplung durch ein Netzwerk von Muskeln und Sehnen", das sich über mehrere Gelenke erstreckt. Das Team wollte nun herausfinden, warum Laufvögel damit effizient laufen können und zusätzlich trotz dauerhaft gebeugter Beine beim Stehen nicht ermüden.
Wenige Motoren, einfache Ansteuerung
Das interdisziplinäre Forscherteam bestehend aus Roboter-Experten und Biologen entwickelte aus ihren Beobachtungen den BirdBot-Laufmechanismus. Ein Bein dieses Systems benötigt nur noch zwei Motoren. Ein Motor sorgt im Hüftgelenk für das Vor- und Zurückschwenken des Beins, der andere sitzt im Kniegelenk, um das Bein anzuheben. Im Fußgelenk verzichteten die Wissenschaftler auf einen Motor. Stattdessen nutzten sie einen mehrgelenkigen Feder-Sehnen-Mechanismus, der die Gelenkbewegungen vom Fuß ausgelöst koordiniert. Bei jedem Beinschwung löst der Fuß eine Beinfeder aus. Zugleich wird ein Sehnenkabel gelockert, sodass die übrigen Beingelenke ausschwingen können.
Empfohlener redaktioneller Inhalt
Mit Ihrer Zustimmmung wird hier ein externes YouTube-Video (Google Ireland Limited) geladen.
Ich bin damit einverstanden, dass mir externe Inhalte angezeigt werden. Damit können personenbezogene Daten an Drittplattformen (Google Ireland Limited) übermittelt werden. Mehr dazu in unserer Datenschutzerklärung.
In Praxistests wiesen die Forscher durch diesen Ansatz eine energieeffiziente Fortbewegung von BirdBot nach. Beim Stehen werde keinerlei Energie benötigt. Beim Hochziehen eines Beins falle der Energiebedarf geringer aus. Die Motorsteuerung vereinfache sich dadurch ebenfalls: "Bisher wurden die Motoren in Abhängigkeit davon geschaltet, ob sich das Bein in der Schwung- oder Standphase befand. Jetzt übernimmt der Fuß diese Funktion in der Laufmaschine und schaltet mechanisch zwischen Stand und Schwung um. Wir brauchen nur noch einen Motor am Hüftgelenk und einen Motor zur Beugung des Knies in der Schwungphase. Das Ein- und Auskuppeln der Beinfedern überlassen wir der von Vögeln inspirierten Mechanik. Das ist robust, schnell und energieeffizient", erklärt Badri-Spröwitz.
Sichere Fortbewegung
Diese Beinstruktur hat aber noch einen weiteren Vorteil, erläutert die beteiligte Biologieprofessorin Monica A. Daley. Laufvögel kommen in der Natur kaum ins Stolpern. Dabei hilft der Aufbau ihres Laufsystems. Bei Hindernissen müssen sich die Laufvögel nicht auf ihre Wahrnehmung und eine entsprechend schnelle Reaktion verlassen. Dazu würde ihr Nervensystem gar nicht schnell genug arbeiten, sagt Daley. Dass sich Laufvögel wie der Strauß trotzdem bei hohen Geschwindigkeiten sicher durch schwieriges Gelände bewegen können, sei auf den mechanischen Anteil im Vogelbein zurückzuführen, der auf Bodenunebenheiten selbstständig reagiert.
Die Forscherinnen und Forscher gehen davon aus, dass sich das von ihnen entwickelte BirdBot-Laufsystem beliebig skalieren lässt. So ließen sich mit diesen Beinen auch riesige, tonnenschwere Roboter bei geringem Kraft- und Energieaufwand bewegen.
(olb)