Bionik Wie Libellen neue Roboter inspirieren

Redakteur: Katharina Juschkat

Erstmals haben Wissenschaftler das biomechanische Prinzip entschlüsselt, wie Libellenlarven Beute fangen. Die Erkenntnisse nutzen sie, um bionische Roboter nach gleichem Prinzip zu konstruieren. Jetzt wurde ein Prototyp mit dem 3D-Drucker hergestellt.

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Die Larven von Libellen dienten Forschern als Vorbild, einen agilen Roboter zu konstruieren.
Die Larven von Libellen dienten Forschern als Vorbild, einen agilen Roboter zu konstruieren.
(Bild: © C. Schüßler, stock.adobe.com)

Warum etwas neu erfinden, was die Natur seit Jahrtausenden erfolgreich getestet und optimiert hat? Das ist der Grundgedanke der Bionik: Inspiriert von der Natur übertragen Wissenschaftler Formen, Bewegungen oder Materialien in die Technik und schaffen damit eindrucksvolle technische Lösungen.

Wir lernen etwas über die Biologie und entwickeln etwas technisch Anwendbares.

Erstautor Dr. Sebastian Büsse

Beutegreif-Prinzip von Libellenlarven inspiriert Roboter

Die Wissenschaftler um Dr. Sebastian Büsse vom Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben erstmals das biomechanische Prinzip entschlüsselt, wie Libellenlarven ihre Beute fangen. Es ist eine Hochgeschwindigkeitsbewegung: in Sekundenbruchteilen schnellt das Mundwerkzeug der Libellenlarve nach vorn, um nach der Beute zu schnappen. Jahrzehntelang waren Forschende davon ausgegangen, dass es sich hierbei um einen hauptsächlich hydraulischen Vortrieb handeln müsse.

Die Forscher hatten vorab Hypothesen aufgestellt und konnten diese dann mit einem nach dem Prinzip konstruierten, bioinspirierten Roboter unter Beweise stellen. Die Technologie kann gerade für agile Robotersysteme eine signifikante Verbesserung bringen.

Erstautor Büsse erklärt das Vorgehen: „Einer der großen Vorteile von bioinspirierten Robotern ist die Möglichkeit, Ideen über biologische Funktionsprinzipien zu testen, die anders sehr schwer zu überprüfen wären. Robotik funktioniert idealerweise in zwei Richtungen: Wir lernen etwas über die Biologie und entwickeln etwas technisch Anwendbares.“

Wie die Libellenlarve Beute fängt

Mithilfe verschiedener interdisziplinärer Analysetechniken konnte das Team zunächst die Funktionsweise der sogenannten Fangmaske entschlüsseln. Berechnungen ergaben, dass ihre Muskulatur nicht über ausreichend Leistung verfügt, um die beobachteten Bewegungen ohne zusätzliche Energiespeicher auszuführen. Der Vortrieb der Mundwerkzeuge der Libellenlarven funktioniere demnach vielmehr über ein steuerbares Katapultsystem: eine innere, elastische Struktur im Libellenkopf, die wie eine Sprungfeder von einem Muskel gespannt wird. Hierbei wird die Energie des Muskels gespeichert. Die beiden Segmente der Fangmaske sind miteinander verbunden und werden durch einen gemeinsamen Mechanismus arretiert und ausgelöst.

Die Laboraufnahme zeigt, wie eine Libellenlarve Beute ergreift:

Derartige Systeme sind im Tierreich zwar weit verbreitet und finden sich beispielsweise bei Heuschrecken, Zikaden oder Fangschreckenkrebsen. Die Besonderheit bei der Libellenlarve liege jedoch darin, dass hier erstmals ein synchronisiertes, duales Katapultsystem beschrieben ist: „Zwei Katapulte liegen in einer Struktur, können aber individuell vorgespannt werden. Sie arbeiten zusammen, um die Fangmaske präzise zu steuern“, erklärt Alexander Köhnsen, Student und Projektbeteiligter.

3D-gedrucker Roboter bestätigt Hypothese

Ihre Hypothesen haben die Forscher zunächst mittels 3D-Animation visualisiert, wobei sich herausstellte, dass die unabhängige Steuerung von zwei Katapulten innerhalb eines Systems eine bessere Kontrolle bedeutet. Anwendung könnte die Technologie in der Entwicklung besonders agiler Roboter finden.

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Dieses System schafft eine bessere Steuerung für einen katapultgetriebenen Vorgang, zum Beispiel dem Springen, wodurch zusätzliche Kontroll- und Stabilisationssysteme kleiner und leichter ausfallen sollten. Das könnte die Leistung und Effizienz solcher Roboter erhöhen. Einen ersten Testlauf dafür hat es bereits gegeben. Um seine Hypothesen zu überprüfen, hat das Forschungsteam erfolgreich einen Roboter im 3D-Druckverfahren gefertigt.

Inzwischen arbeiten die Forscher an einer Weiterentwicklung des Roboters, in den sie eine visuelle Objekterkennung integrieren. Damit soll der Roboter das Objekt selbstständig erkennen und treffen können. Im aktuellen Modell wird die Objekterkennung weiter verbessert. Der Roboter soll zudem autonom die Bewegung ausführen können. Für die Umsetzung weiterer Ideen suchen die Wissenschaftler nach Kooperationspartner aus der Robotik.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden in der Fachzeitschrift „Science Robotics“ veröffentlicht.

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