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Robotik

Wenn eine Urzeitechse als Roboter wieder laufen lernt

| Autor/ Redakteur: Kamilo Melo / Karin Pfeiffer

Einen Tier-Roboter zum Laufen zu bringen? Gar nicht so einfach, wenn das Tier seit 300 Mio. Jahren ausgestorben ist. Robotik-Forscher Kamilo Melo erzählt von einem Projekt, das mit Bewegungsanalyse und moderner Antriebstechnik ein Fossil zum Laufen bringt.

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Robotik-Studie für Morgen nach biologischem Urzeit-Vorbild: Für ein flüssiges Bewegungsbilld sorgen 28 Aktoren in Beinen und Wirbelsäule des Orobates-Roboters.
Robotik-Studie für Morgen nach biologischem Urzeit-Vorbild: Für ein flüssiges Bewegungsbilld sorgen 28 Aktoren in Beinen und Wirbelsäule des Orobates-Roboters.
( Bild: Maxon )

Dies ist die Geschichte des Orobates pabsti, eines frühen Tetrapoden, der bereits Mio. von Jahren vor den Dinosauriern lebte. Sein fossiles Skelett wurde 2004 in Deutschland gefunden. Der hervorragende Erhaltungszustand der versteinerten Knochen wurde nahezu vollständig und beweglich entdeckt, und zwar mitsamt fossiler Fußspuren. Dies half uns, die Bewegungsabläufe des Tieres mit Hilfe eines Roboters nachzuvollziehen. Wir, das waren die Ingenieure im Biorobotik-Labor der EPFL in Lausanne in Zusammenarbeit mit einem Team von Biologen der Berliner Humboldt-Universität. Warum ist die Fortbewegung des Orobates von Bedeutung?

Orobates ist ideal dazu geeignet, die Entwicklung der Landwirbeltiere nachzuvollziehen, einschließlich des Menschen. Diese Tiere stellen den Übergang von der amphibischen Lebensweise zu der an Land dar. Sie waren in der Lage, auch ihre Eier an Land zu legen. Das siedelt sie im evolutionären Stammbaum zwischen den Amphibien und höher entwickelten Tieren wie Reptilien, Vögeln und Säugetieren an. Ob Orobates an Land laufen konnte oder nicht, kann von entscheidender wissenschaftlicher Bedeutung sein, etwa bei der Frage, ab wann die Tiere das Land besiedelten.

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Dynamische Parameter und Kraftmuster

Bewegungsexperimente mit lebenden Tieren sind schwierig, mit einem ausgestorbenen Tier sind sie unmöglich. Wir mussten also einen Weg finden, die Fortbewegung des Orobates objektiv nachzuvollziehen. In der Computersimulation sahen wir ein geeignetes Werkzeug, aber Beinbewegungen sind schwer zu simulieren. Intervallartige Stöße der Beine auf den Boden, Kontaktreibung und die Gesamtdynamik des sich bewegenden Körpers des Orobates erforderten eine Validierung in der realen Welt.

Daher haben wir das fossile Skelett des Orobates anhand eines physischen Roboters nachgebildet. Dieser Roboter war eine skalierte Version des Fossils, d.h., dass die Größe des Tieres im Maßstab fast verdoppelt wurde. Die Gewichtsverteilung und andere dynamisch relevante Parameter wie die Geschwindigkeit, mit der sich der Roboter bewegen sollte, haben wurden gründlich analysiert, um sowohl von biologischer als auch von technischer Relevanz zu sein.

Mit dem fertigen Roboter ließen sich Gangarten testen, mit denen Orobates sich vermutlich zu Lebzeiten fortbewegt hat. Wir haben andere, lebende, Tiere beobachtet, deren Morphologie dem des Orobates ähnelt, darunter Salamander, Skink, Kaiman und Leguan. Uns fiel auf, dass sich ihre Gangarten je nach Körpergröße, dem Bewegungsumfang der Wirbelsäule und der Beinrotation beim Schreiten unterscheiden. Im Bereich dieser Eigenschaften konnten die Daten der lebenden Tiere und die möglichen Gangarten des Roboters verglichen werden. Das war erforderlich, um den stabilsten und effizientesten Gang zu finden, der Kraftmuster verwendet, die denen der lebenden Tiere ähneln und die zu den erhaltenen Spuren passten. Es zeigt sich, dass die wahrscheinlichsten Gangarten des Orobates denen des Kaimans recht nahekamen.

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Praxistest in Afrika: Bewegungen mit nur einer Steuerung koordinieren

Die Tests mit dem Roboter waren eine großartige Erfahrung. Er wirkte lebendig. Die Steuerung der Maschine erforderte die Lösung von Problemen in Verbindung mit inverser Kinematik und Dynamik sowie die Koordination der Bewegung von Beinen und Wirbelsäule. Um ein flüssiges Bewegungsbild zu erzielen, sendet der integrierte Computer des Roboters etwa 100-mal pro Sekunde Befehle an die Motoren. Die verwendeten Aktoren werden dabei von einem leistungsstarken Maxon Motor angetrieben. Zum Einsatz kamen 28 Aktoren, fünf pro Bein und acht in der Wirbelsäule. Selten wurden mit einem so komplexen und dem biologischen Vorbild so ähnlichen Roboter all diese unterschiedlichen Bewegungen über eine Steuerung umgesetzt.

Unsere Erfahrung aus der Kon­struktion und Steuerung von Spreizgangrobotern (Sprawling Posture Robots) floss mit in den Bau des Orobates-Roboters ein. Nach der wissenschaftlichen Auswertung des Salamander-Roboters Pleurobot ließen wir uns auch von den Gangarten und Morphologien von Nilkrokodilen und Waranen inspirieren, um zwei unserer Roboter zu bauen und zu testen. Wir arbeiteten auch mit der BBC für Naturdokumentationen in Afrika zusammen.

Diese Roboter überlebten zwei Drehwochen unter extremen Einsatzbedingungen und lieferten uns Erkenntnisse im Hinblick auf eine robuste Konstruktion für komplexe Praxisszenarien. Das gilt etwa für die K-Rock-Roboter für den Katas­tropheneinsatz. Aufgrund ihrer Haltung können sie niedrige Gänge durchqueren, schwimmfähig und können sich in überschwemmten Gebieten voller Trümmer und Hindernisse fortbewegen.

Fortschritte in der Robotik wie diese führen dazu, dass wir darüber nachdenken, welche Antriebsmechanismen wir derzeit einsetzen. Die aktuelle Technologie macht uns schnell – aber wir können nicht gleichzeitig schnell und effizient hohe Trägheiten überwinden, also Stöße, explosive Bewegungen usw. Zur Erhöhung des Drehmoments nutzen wir Getriebe, die die Transparenz der Bewegungssteuerung durch Trägheit und Reibung beeinflussen und die Antriebsübertragungsleistung herabsetzen. Neue Wege zur Schaffung besserer Antriebe in verschiedenen Größenordnungen führen oft zur Belastung durch sperrige Peripheriesysteme, zur Verringerung der Leistungs- und Drehmomentdichte oder zu einem hohen Energiebedarf, der Ableitungsanforderungen übersteigt.

Schritt für Schritt entwickeln wir bessere Antriebstechnik. Aber wir sind noch weit entfernt, unseren Robotern reale, tierähnliche Fähigkeiten zu verleihen. Zumindest im Vergleich zu dem, was tierische Muskeln zu leisten imstande sind. Es liegt noch ein spannender Forschungsweg vor uns.

* Kamilo Melo, Inhaber des Robotik- Forschungslabors KM-RoBoTa

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