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20:01 09.09.2016
Ein Krake mit besonderen Eigenschaften: Der an der Harvard University entwickelte "Octobot" ist ein vollständig aus weichen Materialien gerfertigter Roboter, der sich ganz ohne Elektronik fortbewegt. Quelle: Lori Sanders/Harvard University
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Es liegt in der Natur der Sache, dass ein Roboter nicht allzu anschmiegsam ist. Wie soll das auch gehen angesichts einer kaum überschaubaren Vielzahl an elektronischen Bauteilen, an Kabeln, Prozessoren, Metall- und Kunststoffteilen, aus denen die intelligenten Maschinen üblicherweise gefertigt sind.

Doch es tut sich was. Die einst so harten Blech- und Plastikkameraden zeigen ihre weichen Seiten. Vorbild für ein zukunftsweisendes Roboterdesign ist die Natur, genauer gesagt: das Meer. Dort tummeln sich etliche Lebewesen, die nicht nur bizarr aussehen, sondern über erstaunlich geschmeidige Bewegungsabläufe verfügen. Die wollen Forscher dank neuer Antriebsmechanismen und Werkstoffe nun so perfekt wie möglich simulieren, damit Roboter dereinst mit bislang ungeahnter Natürlichkeit agieren können.

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Kürzlich machte ein künstlicher Knorpelfisch Furore. Kevin Parker und seine Kollegen von der Harvard University in Cambridge haben einen Rochen erschaffen, der halb Roboter, halb Lebewesen ist. Der gerade mal 16 Millimeter große künstliche Roboterrochen besteht aus einem Skelett aus Gold, einer Kunststoffhülle und 200 000 Herzmuskelzellen von Ratten. Auf den ersten Blick sieht das Ding aus, wie ein platt gedrückter Käfer mit Gelatineumhüllung. Aber es hat einiges drauf: Dieses ungewöhnliche Mischwesen können die Harvard-Forscher mit Lichtsignalen steuern. Und dies sogar so präzise, dass der Rochen elegant dahinschwebend einen Parcours absolvieren kann.

Goldskelett mit Zusatznutzen

Seine für eine Biohybride erstaunlich natürlichen "Flügelschläge" erzeugt der winzige Rochen mittels eines raffinierten Mechanismus: Kontrahieren die Ratten-Herzmuskelzellen auf der Außenhülle des künstlichen Rochens, bewegen sich die Flossen abwärts und der Roboter kann sich fortbewegen. Die Energie dafür gewinnt der Rochen aus einem revolutionären Mechanismus: Zunächst wandelten sie das Erbgut der Ratten-Herzmuskelzellen auf den Flossen derart um, dass diese sich stets zusammenziehen, wenn Licht auf sie trifft – mit der Folge, dass sich die Flossen nach unten bewegen.

Doch das allein reicht noch nicht, damit der Rochen schwimmt. Die Flossen müssen nach jeder Abwärts- schließlich auch eine Aufwärtsbewegung vollziehen.  In der Natur hat jeder Muskel seinen Antagonisten, einen Gegenspieler, der die entgegengesetzte Bewegung ausführt. Die Erfinder des Mini-Rochens wollten es sich jedoch einfacher machen und verzichteten auf eine zweite Muskelschicht.

Stattdessen kamen sie auf die Idee mit dem Goldskelett: Das künstliche Gerippe speichert die Energie der Abwärtsbewegung und setzt sie für die darauf folgende Aufwärtsbewegung ein. Besonders schnell kommt das münzgroße Tierchen dabei allerdings nicht voran: Gerade mal 1,5 Millimeter pro Sekunde legt es zurück. Und dies auch nur, weil er in einer Nährstofflösung schwimmt. Denn normales Wasser würde zum Absterben der Herzmuskelzellen führen.

Nur ein kleiner Rochen, aber ein großer Schritt für die Wissenschaft: Gerade einmal 16 Millimeter lang ist die Biohybride der Harvard-Forscher. Doch sein Antrieb ist revolutionär. Quelle: Harvard University

Ein anderes Antriebskonzept hat Parkers Harvard-Kollegin Jennifer Lewis für den augenscheinlich von einem Kraken inspirierten Octobot (Titelbild) entwickelt. Anders als der Rochen kommt das achtarmige Kunstwesen ohne biologische Komponenten aus, besteht aber dennoch vollständig aus flexiblen Bauteilen. Angetrieben wird der Octobot von einem Treibstoff, der aus in Wasser gelöstem Wasserstoffperoxid besteht. Dieser wird in einer kleinen Reaktionskammer, außerhalb des Roboters, in Wasser und Sauerstoffgas geteilt.

Das daraus entstandene Gas hat ein sehr viel größeres Volumen als das flüssige Wasserstoffperoxid. Durch kleine Kanäle, in den Armen des Kraken, strömt der Sauerstoff hinein und wandert bis hin zu kleinen Kammern im Inneren des Roboters. Diese werden durch das Gas aufgeblasen, wodurch sich die Arme des Octobots bewegen. Mehr als ein paar Wackler kann der Octobot mittels dieses Antriebs allerdings bislang noch nicht vollführen.

Dass Wissenschaftler sich an Tieren orientieren, wenn es darum geht, technologische Innovationen umzusetzen, ist nicht neu: Schon seit Langem beobachten Forscher die Flugtechnik von Vögeln und Insekten, um Flugzeuge zu optimieren. Bionik heißt das Fach, das versucht Naturphänomene in technische Geräte zu übertragen. Der Vater dieses Gedankens ist der Gelehrte Leonardo da Vinci, der eine Maschine erfinden wollte, die den Vogelflug nachahmen konnte. Er scheiterte.

Die Natur als Vorbild

Doch nicht nur Vögel dienen als Vorbilder: So haben Bremer Wissenschaftlern die Beschaffenheit von Haihaut nachgebildet, um Schiffe vor Algen und Muschelbewuchs zu schützen. Und auch Forscher der kalifornischen Universität Berkeley ließen sich vom Körperbau der Kakerlaken inspirieren, bevor sie einen Mini-Krabbel-Roboter entwarfen, der durch jede Ritze passt und künftig Verschüttete auffinden soll.

Die neuen, geschmeidigen Roboter entstammen dem Forschungsfeld der sogenannten Soft-Robotics. Das ist eine vergleichsweise junge Disziplin, in der Forscher, grob gesagt, möglichst viele weiche mit möglichst wenigen festen Materialien verbinden. Die ersten Früchte der Softrobotik – unter ihnen auch der Octobot und der Rochen – sind aller Unausgereiftheit zum Trotz mehr als eine Spielerei. Denn die Soft-Robotics könnten Maschinen dank ihrer geschmeidigen Werkstoffe und ihrer Orientierung an natürlichen Bewegungsabläufen langfristig zu einer wesentlich sensibleren Interaktion mit der Umwelt und dem Menschen verhelfen.

Das US-Unternehmen SoftRobotics, eine Harvard-Ausgründung, hat schon heute etliche Prototypen im Programm, die längst nicht mehr mit der Plumpheit herkömmlicher Industrieroboter agieren. So ist ein aus anschmiegsamem Kunststoff gefertigter Greifarm in der Lage, auch vollreife Tomaten behutsamst zu verpacken. Ein anderer Roboter, der entfernt an Krakententakel denken lässt, spielt sogar leidlich gut Klavier.

Mischwesen im Fischschwarm

Die weichen Roboter könnten künftig etwa an besonders schwer zugänglichen Orten zum Einsatz kommen – oder überall dort, wo besonderes Fingerspitzengefühl gefragt ist. Seit Kurzem hat der kleine Rochen übrigens einen Artgenossen: eine etwa fünf Zentimeter große Biohybride, die ein Skelett aus dem 3-D-Drucker mit Muskeln aus dem Mund des Kalifornischen Seehasen, einer Seeschneckenart, kombiniert. Das sonderbare Wesen könnte beispielsweise irgendwann dazu dienen, den Meeresgrund nach verschollenen Flugschreibern abzusuchen.

Der Mini-Rochen könnte außerdem für die Verhaltensforschung nützlich sein. Künstliche Tiere sollen in Zukunft in der Lage sein, die natürliche Umgebung echter Tiere zu beobachten und komplexe Verhaltensweisen, beispielsweise in Fischschwärmen, zu imitieren. Denn wie genau ein Schwarm funktioniert, ist bislang nur in Ansätzen bekannt.

Gut möglich also, dass den anderen Rochen künftig gar nicht auffällt, dass da ein kleines Mischwesen unter ihnen schwimmt. Bis dahin muss es allerdings noch ein wenig wachsen. Denn mit seinen 16 Millimetern ist es definitiv zu klein, um mit den Großen mitzuhalten. Aber was nicht ist, kann ja noch werden.

Von Nadine Zeller

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