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Kakerlaken, Geckos und Roboter

Kakerlaken, Geckos und Roboter | Video verfügbar bis 16.02.2018

Wie Kakerlaken verschwinden und Eidechsen springen

Student hält Flugroboter vor sein Gesicht
Roboter lernen ihre Bewegungen von Tieren

Kakerlaken sind Bewegungsspezialisten. Im Laufe der Evolution haben sie erstaunliche motorische Fähigkeiten entwickelt, die sie extrem schnell, ausdauernd und beweglich machen. Eines haben die Fluchttiere besonders gut gelernt: in Sekundenschnelle aus dem Blickfeld potenzieller Feinde zu verschwinden. An der Universität von Kalifornien in Berkeley untersucht ein interdisziplinäres Team aus Biologen, Mathematikern und Ingenieuren, wie die flinken Ekel-Tiere das machen. Und nicht nur Kakerlaken, auch Tausendfüßler, Eidechsen oder Krabben sind willkommene Forschungsobjekte. Denn die Forscher studieren grundlegende Bewegungsabläufe im Tierreich und nutzen sie als Inspiration für das Design von Robotern.

Spitzenforschung mit Ekel-Tieren

Großaufnahme Gecko in Laufbahn
Ekel-Tiere mit besonderen Fähigkeiten

Vor über 25 Jahren gründete der Biologe Professor Robert Full an der Elite-Uni Berkeley bei San Francisco sein Poly-PEDAL Labor. Heute genießt sein Forschungslabor einen legendären Ruf. Immer wieder machen Full und sein Team Entdeckungen, die es in die renommiertesten Fachzeitschriften der Welt schaffen. Die Studienobjekte der Biologen, die Kakerlaken, Eidechsen oder Krabben, haben dabei vor allem eines gemein: Sie sind in Sachen Fortbewegung besonders interessant. Nicht nur weil ihre Bewegungen besonders trickreich sind, sondern weil ihr einfacher Körperbau und ihre simplen Bewegungsmechanismen leichter zu beobachten, zu berechnen und nachzubauen sind als es zum Beispiel bei Säugetieren der Fall wäre.

Kakerlake beim Bungee-Sprung

Kakerlake hängt mit einem Bein an Unterseite eines kleinen Holzplättchen.
Kakerlaken schwingen sich blitzschnell um Kanten.

In jüngster Zeit sorgten vor allem zwei Entdeckungen der Forscher für Aufsehen. Der Biologe Jean Mongeau wollte wissen, wie Kakerlaken kleine Lücken überqueren, wie sie in der Natur zum Beispiel zwischen Zweigen oder in Laubhaufen vorkommen. Dabei machte er eine zufällig Entdeckung: Als er die Lücken schrittweise immer weiter vergrößerte, musste er feststellen, dass die Schaben diese plötzlich nicht mehr überquerten, sondern sich um die Abbruchkante auf die Unterseite einer Fläche schwangen - in Sekundenbruchteilen und bei vollem Tempo. Mongeau beschloss, diese Bewegung genauer zu untersuchen. Mit Highspeedkameras zeichnete Mongeau die Bewegung auf, die unter bloßem Auge kaum zu erkennen ist. Er entdeckte dabei: Haken an den Hinterbeinen der Schaben erlauben es ihnen, die Schwungbewegung zu vollführen. Etwa 70 Prozent ihrer Vorwärtsbewegung können sie in den Umschwung übertragen. Dabei halten sie Beschleunigungskräfte von bis zu 3g aus, etwa so viel wie bei einem Bungee-Sprung.

Nachdem Mongeau entdeckte, das sich auch kleine Geckos auf dieselbe Art um Kanten herumschwingen können, übertrug er seine Beobachtungen in die Konstruktion eines kleinen Roboters. DASH simuliert die Bewegungsabläufe der Kakerlaken und kann sich ebenfalls blitzschnell um Kanten bewegen.

Alles eine Frage der Balance

Momentaufnahme Echse während des Sprungs
Die Technik der Eidechsen beherrschten wahrscheinlich schon Dinosaurier.

Der Biologe Tom Libby untersuchte, wie Eidechsen ihren Schwanz zur Stabilisierung von Sprüngen einsetzen. Dafür ließ er Siedleragamen, eine asiatische Echsensart, unter verschiedenen Bedingungen auf eine kleine Kiste springen. Der Biologe präparierte den Untergrund dabei so, dass die Echsen mal gute Haftung beim Absprung hatten, mal auf einer glatten Oberfläche ausrutschten. Mithilfe von Highspeed-Aufnahmen analysierte er dann die Bewegungen des Schwanzes, der immerhin 20 Prozent des Körpergewichts der Agamen ausmacht und ihr stärkster Muskel ist. Indem die Echsen mit diesem reflexartige Gegenbewegungen machten, verändern sie ihren Schwerpunkt und stabilisierten ihren Flug. Selbst nachdem sie ausrutschten, konnten sie so immer kontrolliert landen.

Roboter ahmt Echse nach

Roboter TAILBOT während eines Sprungs mit eingezeichneten Winkellinien
Roboter ahmen die Bewegungen der Tiere nach.

Seine Erkenntnisse verhalfen dem Biologen Tom Libby nicht nur auf den Titel der renommierten naturwissenschaftlichen Zeitschrift "nature", sondern sie führten zum Bau eines Roboters. TAILBOT ist ein kleines Auto, das einen chipgesteuerten Schwanzfortsatz besitzt. Springt der Roboter zum Beispiel über eine Rampe oder fällt nach unten, ahmt er die Schwanzbewegungen der Echsen nach. Das Resultat: kontrollierte Sprünge, die immer auf den Rädern enden.

Von der Schabe zum Superroboter

Die Forschungsergebnisse aus Berkeley sind in der Industrie und beim Militär gefragt. Eine ganze Reihe von Robotern mit einem erstaunlichen Bewegungsrepertoire ist so über die Jahre entstanden. Zwar geht es dabei meistens noch um das grundlegende Verständnis komplexer Bewegungsabläufe, doch jede Einzelerkenntnis ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu extrem mobilen Robotern der Zukunft. Die könnten zum Beispiel einmal nach Erdbebenopfer suchen oder fremde Planeten erforschen - ohne sich dabei von unwegsamem Gelände aufhalten zu lassen.

Autor: Krischan Dietmaier (WDR)

Stand: 25.11.2013 10:58 Uhr