Einbeiniger Roboter hüpft von Ast zu Ast wie ein Eichhörnchen
Eichhörnchen bewegen sich flink mit Sprüngen in Baumwipfeln fort. Ein Roboter der University California will es ihnen gleichtun.
Ein Bein reicht dem Roboter aus, um von einer Stange zur nächsten zu springen, ohne dabei herunterzufallen.
(Bild: Justin Yim / UC Berkeley)
Eichhörnchen gehören zu den beliebtesten Tieren, weil sie so süß sind und wohl auch, weil sie sich geschmeidig durch Baumwipfel bewegen können. Wissenschaftler der University of California Berkeley (UC Berkeley) haben einen Roboter entwickelt, der auf einem Bein von Ast zu Ast springen kann, ohne dabei herunterzufallen. Dabei haben sich die Forscher vieles von Eichhörnchen abgeguckt. Süß ist der einbeinige Roboter aber nicht.
Das Forschungsteam der UC Berkeley, bestehend aus Ingenieuren und Biologen, hat Studien zur Biodynamik der Sprünge und Landungen von Eichhörnchen ausgewertet, um einen Roboter zu entwickeln, der von Holzstangen, Drähten und Balken abspringen und auf ihnen landen kann. Den Roboter beschreiben die Forscher in der Studie "Monopedal robot branch-to-branch leaping and landing inspired by squirrel balance control", die in Science Robotics erschienen ist.
Springen mit einem Bein
Den Roboter entwickelten die Wissenschaftler nicht von Grund auf neu. Stattdessen griffen sie auf den einbeinigen Roboter Salto (Saltatorial Agile Locomotion on Terrain Obstacles) zurück, der im Jahr 2016 an der UC Berkeley als leistungsstarker Hüpfroboter entwickelt worden war und bereits auf einem Bein stehen und dabei seine Position halten kann. Allerdings klappt das nur auf ebenem Boden. Der neue Roboter soll dagegen punktgenau auf dünnen Stangen landen und sich darauf halten können, was für die Forscher eine besondere Herausforderung darstellte. Das Springen realisiert der Roboter über einen Sprungmotor, der die Beine zusammenzieht und die ihre Energie für den Sprung dann abrupt entfalten. Zwei elektromotorisch angetriebene Rotoren sorgen für eine Unterstützung des Sprungs und dienen zur Stabilisierung.
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Saltos besondere Fähigkeit liegt darin, sich selbst stabilisieren zu können. Dazu nutzt er ein Schwungrad, mit dem er durch Rotation das Gleichgewicht halten kann. Für eine punktgenaue Landung etwa auf dünnen Stangen reicht das jedoch nicht aus. Auch das Absorbieren der kinetischen Energie bei der Landung stellte sich als Problem heraus. Eichhörnchen schaffen das, indem sie 86 Prozent der kinetischen Energie bei der Landung durch einen Handstand auf den Vorderpfoten abfangen.
Auf die Landung kommt es an
Die Wissenschaftler passten deshalb das Roboterdesign an, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen. Dazu nutzten sie das Schwungrad und ließen es während des Sprungs rückwärts laufen, um den Roboter bei der Landung abzubremsen und so einen Teil der Energie abfangen zu können. Dem Bein spendierten die Wissenschaftler noch einen passiven Greifer. Er soll verhindern, dass der Fuß ein Drehmoment auf die Stange ausübt. Deshalb ist er so konzipiert, dass er wenig Reibung erzeugt. Das Schwungrad und die Rotoren stabilisieren den Roboter dann auf der Stange. Zudem nutzen die Wissenschaftler einstellbare Beine, um das Drehmoment des Reaktionsrades zu ergänzen.
Der modifizierte Salto-Roboter kann so von einer Stange auf eine andere springen und zugleich größere Sprünge hinlegen. Dabei hat sich der einbeinige Sprung als besonders effektiv erwiesen. Jedes Mal klappt das allerdings noch nicht. Mitunter trifft der Roboter die Stange nicht genau genug oder er kann die Energie bei der Landung nicht ausreichend herausnehmen. Die Wissenschaftler haben also noch etwas Arbeit vor sich.
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(olb)