Biologische Organismen wie Geparden, Kakerlaken und sogar Menschen sind im direkten Vergleich zu robotischen Imitationen nahezu immer schneller. Warum das so ist, fragten sich Ingenieure aus den USA und Kanada in einer neuen Studie, die jüngst im Fachmagazin Science Robotics erschien.
Frustrierte Ingenieure suchen nach Gründen natürlicher Überlegenheit
„Als Ingenieur ist es irgendwie frustrierend“, räumt Kaushik Jayaram von der University of Colorado Boulder in einer Mitteilung ein. „Nach über 200 Jahren intensiver Ingenieurskunst konnten wir Raumfahrzeuge zum Mond und Mars schicken und so viel mehr erreichen. Aber es ist verblüffend, dass wir noch keine Roboter haben, die bei der Fortbewegung in natürlichen Umgebungen deutlich besser sind als biologische Systeme.“
Um die Gründe für die Unterlegenheit von Robotern zu ergründen, analysierten die Forscher Daten aus Dutzenden Studien und unterteilten diese in fünf Subsysteme: Energieversorgung, Rahmen, Antrieb, Sensorik und Steuerung. Dabei schienen die meisten dieser Teilsysteme ihre biologischen Gegenstücke problemlos übertreffen zu können. Hochwertige Lithium-Ionen-Akkus beispielsweise können bis zu 10 Kilowatt Leistung pro Kilogramm Gewicht liefern – zehnmal mehr als tierisches Gewebe. Muskeln hingegen können das absolute Drehmoment vieler Motoren bei weitem nicht erreichen. „Aber auf Systemebene sind Roboter nicht so gut“, erklärt Jayaram. „Wir stoßen auf inhärente Design-Kompromisse. Wenn wir ein Merkmal wie die Vorwärtsgeschwindigkeit optimieren, können wir bei etwas anderem wie der Wendefähigkeit einbüßen müssen.“
Spinnen als Vorbild
Grund für die Überlegenheit der natürlichen Leistung ist wohl das in sich stimmende System. Tiere sind im Gegensatz zu Robotern nicht in separate Subsysteme unterteilt. Die Zukunft der Robotik könnte daher in „funktionalen Untereinheiten“ liegen, die Energieversorgung, Motoren und Schaltkreise in einem Teil integrieren – ähnlich wie die Oberschenkelmuskulatur beim Menschen.
Jayarams Labor an der Universität Colorado arbeitet bereits in diese Richtung. Der von seinem Team entwickelte mehrfüßige mCLARI-Roboter bewegt sich ein wenig wie eine Spinne und kann dank seines modularen Designs in alle Richtungen kriechen – eine Premiere für vierbeinige Roboter. Als Vorbild dienen dem Forschungsteam Wolfsspinnen, die sie im Labor halten. „Wolfsspinnen sind natürliche Jäger“, so Jayaram. „Sie leben unter Felsen und können mit unglaublicher Geschwindigkeit über komplexes Terrain rennen, um Beute zu machen“. Dies möchten die Wissenschaftler imitieren. „Tiere sind in gewisser Weise die Verkörperung dieses ultimativen Designprinzips – ein System, das wirklich gut zusammen funktioniert“, so der Forscher weiter. „Die Natur ist ein wirklich nützlicher Lehrer“.
Bildquelle: Heiko Kabutz