Fähige Rennroboter wären äußerst nützlich: Sie könnten beispielsweise in Notsituationen vorsprinten, um Bomben entschärfen oder Verletzte aufzuspüren. Auch könnten sie auf Expeditionen gefährliche Wege vor Betreten auskundschaften. Doch leider fehlen den Maschinenwesen derzeit noch die dafür notwendige Schnelligkeit und Wendigkeit. Doch aus welchem Grund performt der Bewegungsapparat von Tieren so viel besser? Und wie kann man flinkere und geschicktere Roboter bauen?
Sie erkunden fremde Planeten, arbeiten als Pfleger und werden in Krisengebieten als Katastrophenhelfer eingesetzt. Roboter können den Menschen in fast allen Bereichen unterstützen. Ein Grund für die Superpower der Maschinenwesen: Sie sind ihren biologischen Artgenossen „körperlich“ um ein Vielfaches voraus. So können sie beispielsweise mit ihrer enormen Motorkraft das 30-Fache ihres eigenen Gewichts ziehen und dank einer spannenden Kombination aus Motorkraft und speziellen Federn meterhohe Sprünge vollziehen.
Warum sprinten Tiere schneller als Roboter?
Auch in direkten Wettrennen können einige Roboter den Menschen um Längen schlagen. So etwa der Geparden-Roboter „Cheetah“, der US-Firma Boston Dynamics, der mit fast 30 Kilometer pro Stunde über ein Labor-Laufband spurtete. Dafür müsste man eine 100-Meter-Distanz in weniger als zwölf Sekunden absolvieren – das ist schneller als die meisten Menschen laufen können. Zum Vergleich: Der Weltrekord das jamaikanischen Sprinters Usain Bolt liegt bei 9,58 Sekunden, das entspricht einem Durchschnittstempo von 37,58 Kilometern pro Stunde.
Doch während der Geparden-Roboter einen durchschnittlichen Menschen überholen würde, scheinen bisher fast alle biologische Organismen ihre entsprechenden Roboter-Gegenstücke im direkten Rennen auszustechen. Ein Mensch läuft schneller als ein humanoider Roboter, eine Kakerlake schneller als ihr technologisches Gegenstück aus Metall und Kabeln und auch der Gepard ist fast dreimal so schnell wie der Roboter „Cheetah“.
Angesichts der jüngsten Fortschritte in Robotik und künstlicher Intelligenz würde man das nicht unbedingt erwarten. „Es ist verwirrend, dass wir noch keine Roboter haben, die in der Fortbewegung in natürlichen Umgebungen signifikant besser sind als biologische Systeme“, findet auch der Ingenieur Kaushik Jayaram von der University of Colorado in Boulder.
Was macht Tiere zu Bewegungs-Superperformern?
Darüber hinaus sind Tiere nicht nur schneller als ihre Roboter-Gegenstücke – sie sind auch wendiger und geschickter. Während neuartige Kakerlaken-Roboter zwar beeindruckende Geschwindigkeiten an den Tag legen, können sie sich anders als ihre biologischen Gegenstücke weder seitwärts bewegen noch über unebenes Terrain rennen, noch Wände hochkrabbeln. Für derartige Manöver müssten Roboter in fünf Disziplinen leistungsfähig sein: Energieversorgung, Rahmen- beziehungsweise Körperbau, Aktuation, Sensorik und Steuerung.
Tatsächlich schlagen Roboter ihre tierischen Äquivalente regelmäßig in den fünf Teildisziplinen. Hochwertige Lithium-Ionen-Batterien können beispielsweise etwa bis zu zehn Kilowatt Leistung pro Kilogramm liefern, Tiergewebe hingegen produziert nur etwa ein Zehntel davon. Und trotzdem haben Geparden und Hasen am Ende einen Affenzahn drauf und Roboter nicht.
Dieses Scheitern von Robotern scheint also nicht auf Mängel in einem einzigen Bauteil wie Batterien oder Sensoren zurückführbar zu sein. Stattdessen scheitern Ingenieure regelmäßig daran, die verschiedene Teile effizient zusammenarbeiten zu lassen. „Wir stoßen auf inhärente Design-Trade-offs“, erklärt Jayaram. „Wenn wir versuchen, für eine Sache zu optimieren, wie zum Beispiel Vorwärtsgeschwindigkeit, könnten wir bei etwas anderem verlieren, wie zum Beispiel der Wendigkeit.“
Wann können wir schnelle Roboter bauen?
Das Besondere am Bewegungsapparat von Tieren ist also die hochkomplexe Vernetzung der einzelnen Teilsysteme. Der Quadrizeps femoris beispielsweise treibt die Beine der meisten Wirbeltiere an. Doch diese Oberschenkelmuskeln erzeugen nicht nur ihre eigene Energie, indem sie Fette und Zucker abbauen, sondern integrieren auch die Informationen von Neuronen, die Schmerz und Druck spüren. Bei Robotern hingegen sind die individuellen Systeme separat geregelt.
In diesem Bereich könnte sich die Robotik in Zukunft dementsprechend weiterentwickeln: Anstatt Stromquellen von den Motoren und Schaltkreisen getrennt zu halten, könnte man alle in einem einzigen „funktionalen Teilbereich“ integrieren. Basierend auf diesem Ansatz haben Ingenieure bereits einen Roboter gebaut, bei dem jedes seiner Beine wie ein eigenständiger Roboter mit eigenem Motor, Sensoren und Steuerungsschaltkreisen agiert. Das Ergebnis: Der Mini-Roboter kann sich wie etwa eine Spinne auch auf engstem Raum und in alle Richtungen bewegen. (Science Robotics, 2024; doi: 10.1126/scirobotics.adi9754)
Quelle: University of Colorado at Boulder
