Mit bis zu 55 Kilometer pro Stunde sind sie gewandt auf zwei Beinen unterwegs: Die bis zu 100 Kilogramm schweren Strauße verdeutlichen die Leistungsfähigkeit des Fortbewegungssystems der Laufvögel. Im Gegensatz zu unserer aufrechten Gangart hat ihr anatomisches Prinzip tiefe Wurzeln in der Entwicklungsgeschichte: Auch Tyrannosaurus und Co besaßen bereits eine ähnliche Beinstruktur und Laufweise wie die heutigen Vögel. Offenbar handelt es sich demnach um ein Konzept, das sich aufgrund von energetischen und funktionalen Vorteilen bewährt hat. Doch was ist das Geheimnis des Vogelbeins und inwieweit lassen sich seine Mechanismen auf Robotik-Systeme übertragen? Dieser Frage gehen die Wissenschaftler um Alexander Badri-Spröwitz vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart nach.
Effektive Kopplung ist der Schlüssel
Wie sie erklären, besitzt das Konzept des Vogelbeins einen Aspekt, der sich von unserem Mechanismus deutlich unterscheidet: Menschen ziehen beim Gehen das Bein hoch, beugen dabei das Knie, Fuß und Zehen zeigen dabei aber nahezu unverändert nach vorne. Vögel klappen hingegen in der Schwungphase die Füße nach hinten weg. Die Untersuchungen von Badri-Spröwitz und seinen Kollegen legten nahe, dass diese Bewegung das passive Resultat einer mechanischen Kopplung ist: Sie wird nicht durch das Nervensystem und Muskelaktivitäten verursacht. „Wir sehen, dass das Netzwerk aus Muskeln und Sehnen, welches sich über mehrere Gelenke hinweg erstreckt, diese Kopplung ermöglicht. Die mehrgelenkigen Muskel-Sehnen-Seilzüge bedingen das Einklappen des Fußes in der Schwungphase“, sagt Badri-Spöwitz. Möglicherweise hat dies mit einem günstigen Grundmechanismus zu tun, so die Vermutung.
Um ihre Annahme zu überprüfen, bauten die Forscher ein Roboter-Bein, das dem der Laufvögel nachempfunden ist. Sie konstruierten es mithilfe von Seilzügen und Federn so, dass der Fuß keinen separaten Motor, sondern nur ein Gelenk benötigt, das mechanisch mit den restlichen Beingelenken gekoppelt ist. Ein Motor am Hüftgelenk sorgt dafür, dass eine Vor- und Zugrückbewegung des Beins entsteht. Ein weiterer Motor am Kniegelenk bewirkt zudem die Kniebeugung zum Hochziehen der künstlichen Gliedmaße. Für Testzwecke des Systems bauten die Forscher dann schließlich einen zweibeinigen Prototyp.
Die Untersuchungen auf dem Laufband verdeutlichten, dass der Roboter seine Füße beim Gehen tatsächlich ähnlich wie die natürlichen Vorbilder ein- und ausklappt. Zudem zeigten die Analysen, dass die gekoppelte Mechanik in Bein und Fuß dem „BirdBot“ ein sehr energieeffizientes und robustes Laufen ermöglicht und auch beim Stehen buchstäblich zum Tragen kommt. Denn die Fuß- und Beingelenke kommen in der Standphase ohne Motoren aus. „Die Kraft kommt dabei aus der Feder und die Koordination aus dem mehrgelenkigen Seilzugmechanismus. Beim Bein-Anziehen in der Schwungphase schaltet der Fuß dann die Beinfeder – den Muskel – weg“, erklärt Badri-Spröwitz. „Früher mussten unsere Roboter hingegen entweder beim Stehen oder beim Bein-Anziehen gegen die Feder oder mit einem Motor arbeiten, damit das Bein in der Schwungphase nicht mit dem Boden kollidiert. Dieser Energieeintrag ist bei BirdBot jetzt nicht mehr notwendig“. Das schlägt positiv zu Buche, betont sein Kollege Aghamaleki Sarvestani: „Insgesamt ist damit nur ein Viertel der Energie notwendig im Vergleich zu vorhergehenden Laufrobotern.“
