Für schwieriges Terrain: Roboter passen Körperform an Umgebung an

Ein Forschungsteam der Colorado State University hat drei Roboter entwickelt, die ihre Körper und Beine dem Gelände, in dem sie sich bewegen, anpassen können. Die Roboter sind so in der Lage, in schwierigem Terrain zu kriechen, zu laufen, sich entlangzuhangeln oder zu schwimmen.

Biologische Organismen, wie etwa einige Insekten, können ihre Körperform in Abhängigkeit ihres Lebenszyklusses oder ihrer Umgebung wandeln. Die Wissenschaftler des Fachbereichs Maschinenbau der Colorado State University haben sich die Natur zum Vorbild genommen und Roboter gebaut, die diese Eigenschaften nachahmen, um sich besser durch unterschiedliche Geländeformen bewegen zu können. Herausgekommen sind drei unterschiedliche Roboter, die die Forschenden in dem wissenschaftlichen Paper "Embedded shape morphing for morphologically adaptive robots" beschreiben, das in Nature Communications veröffentlicht ist.

Wandelbar durch flexible Gliedmaßen und künstliche Muskeln

Die Roboter bestehen aus Materialien, die bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Härtegrade annehmen, etwa weich oder hart werden. Das Material lässt sich ohne sperrige Aktuatoren und große Energiezufuhr bewegen. Dadurch sind sie für autonome Einsätze, wie etwa Rettungsaktionen in Katastrophengebieten, besser geeignet, benötigen sie so doch keine externe Energie und können sich in unterschiedlichen Geländeformationen fortbewegen.

"Unser eingebettetes Morphing-System verwendet einen leichten künstlichen Muskel, der einem menschlichen Muskel ähnelt und sich zusammenzieht, sobald Strom angelegt wird", sagt Jianguo Zhao, Leiter des Forschungsteams an der Colorado State University. "Indem wir diese künstlichen Muskeln in die Wirbelsäule des Roboters oder in seine Haut einbetten, können wir eine Vielzahl von Formtypen erreichen. Insgesamt bietet dieser Ansatz einen vielversprechenden Weg zur Entwicklung von Robotern, die in schwierigen Umgebungen navigieren und arbeiten müssen."

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Drei Morphing-Roboter haben die Wissenschaftler beispielhaft entwickelt. Einen Greifer, der seine Form erkennen und anpassen kann, um Gegenstände besser greifen zu können, einen vierbeinigen Roboter, der sich selbst abflachen kann, um unter Hindernissen hindurchzukriechen und sich an Kanten festzuhalten sowie ein amphibischer Roboter, der an Land gehen und im Wasser schwimmen kann. Die drei Roboter sind in der Lage, sich bei Bedarf den äußeren Bedingungen anzupassen und sich auch wieder zurückzuwandeln.

"Frösche zum Beispiel können diese Art von Veränderungen mühelos vollziehen. Sie beginnen als Kaulquappen mit Schwänzen zum Schwimmen, bevor sie Beine entwickeln, mit denen sie springen, kriechen oder schwimmen können", sagt Zhao. "Wir haben uns von diesen Verwandlungen inspirieren lassen, aber es bleibt eine Herausforderung, eine tierähnliche eingebettete Formveränderung in Robotern zu erreichen, und wir hoffen, dass wir mit dieser Arbeit weitermachen können."

Bereits seit 2017 arbeiten die Wissenschaftler an der Entwicklung eines wandelbaren Fortbewegungssystems mit künstlichen Muskeln, die durch Strom angetrieben werden. Das System kann zugleich die verschiedenen Verformungen der Gliedmaßen aufgrund der Veränderung des elektrischen Widerstandes im künstlichen Muskel erkennen. Dadurch lassen sich die Gliedmaßen und Körperformen präzise steuern.

Die Roboter arbeiten bisher jedoch nicht autonom. Sie werden derzeit noch ferngesteuert. Die Wissenschaftler wollen nun erreichen, dass die Roboter selbst entscheiden können, welche Form die energieeffizienteste ist, um sich in ihrer Umgebung fortbewegen zu können. Dazu wollen sie weitere Sensoren sowie Kameras ergänzen.

(olb)