Mars-Rover war gestern: Dieser Roboter kriecht wie ein Zollwurm

Das Wichtigste in Kürze

• Forschende der Universität Göteborg entwickelten einen weichen Roboter nach dem Vorbild eines Zollwurms.
• Der Antrieb basiert auf künstlichen Muskeln aus Polymer und Kohlenstoffelektroden.
• Der Roboter kommt ohne klassische Motoren und Gelenke aus.
• Selbst nach Beschädigungen bleibt das System funktionsfähig.
• Die ESA sieht Potenzial für zukünftige planetare Missionen.
• Mögliche Anwendungen reichen von Rohrinspektionen bis zur Marsforschung.

Die meisten Roboter bewegen sich auf Rädern, Ketten oder Beinen fort. Forschende der Universität Göteborg haben nun einen anderen Weg eingeschlagen. Ihr Prototyp orientiert sich an einem Zollwurm und kriecht mithilfe eines künstlichen Muskels über den Untergrund. Das Besondere: Der Roboter kommt ohne klassische Motoren, Getriebe oder komplexe Gelenkkonstruktionen aus.

Noch handelt es sich um einen Laborprototyp. Dennoch weckt die Technologie bereits Interesse über die Robotikforschung hinaus. Die Europäische Weltraumorganisation ESA sieht darin einen möglichen Baustein für künftige Erkundungsmissionen auf fremden Planeten. Zunächst könnte der Roboter jedoch deutlich näher an unserem Alltag zum Einsatz kommen – etwa bei der Inspektion von Rohrleitungen oder schwer zugänglichen technischen Anlagen.

Ein künstlicher Muskel statt eines Motors

Entwickelt wurde der Roboter von Hari Prakash Thanabalan an der Universität Göteborg. Ausgangspunkt seiner Arbeit war die Frage, wie sich Bewegungen aus der Natur mit möglichst einfachen technischen Mitteln nachbilden lassen.

Im Zentrum steht ein sogenannter künstlicher Muskel. Er besteht aus mehreren abwechselnden Schichten aus Polymermaterial und Kohlenstoffelektroden. Legen die Forschenden eine elektrische Spannung an, verändert sich die Struktur des Polymers. Der Aktuator dehnt sich aus und zieht sich anschließend wieder zusammen – ähnlich wie ein biologischer Muskel.

„Ich habe eine fünfschichtige Polymer-Kohlenstoff-Konfiguration hergestellt, um einen künstlichen Muskel zu schaffen, der etwa so dick wie ein Haarstrang ist“, erklärt Thanabalan.

Für den Roboter wurde diese mehrschichtige Struktur zu einem Zylinder aufgerollt. Das Ergebnis ist ein sogenannter „Rolled Dielectric Elastomer Actuator“, kurz RDEA. Wird er periodisch mit Spannung versorgt, verlängert er sich um etwa zehn Prozent und kehrt anschließend in seine Ausgangsform zurück.

Warum ein Zollwurm als Vorbild dient

Die Bewegung erinnert an einen Zollwurm. Dieser zieht seinen Körper zusammen, verankert einen Teil seines Körpers am Untergrund und streckt sich anschließend wieder nach vorne. Durch die ständige Wiederholung dieses Ablaufs bewegt er sich Schritt für Schritt fort.

Genau dieses Prinzip übertrugen die Forschenden auf ihren Roboter. Zwischen den Enden des künstlichen Muskels befestigten sie einen flexiblen Kunststoffstreifen. Durch das rhythmische Strecken und Zusammenziehen entsteht eine kriechende Bewegung, die den natürlichen Vorbildern erstaunlich nahekommt.

Der Vorteil liegt in der Einfachheit. Viele mobile Roboter benötigen mehrere Motoren, zahlreiche bewegliche Bauteile und aufwendige Steuerungen. Der Göteborg-Roboter erreicht seine Bewegung dagegen mit nur einem zentralen Aktuator.

Die eigentliche Innovation steckt in der Steuerung

Während der Versuche machten die Forschenden eine Beobachtung, die später zu einem der interessantesten Ergebnisse der Arbeit wurde.

Der Roboter bewegte sich auf strukturierten Oberflächen nicht zufällig in verschiedene Richtungen. Stattdessen orientierte er sich zuverlässig an feinen Rillen im Untergrund. Die Enden des Roboters griffen dabei leicht in die Strukturen ein und beeinflussten so die Bewegungsrichtung.

Anschließende Versuche mit unterschiedlich ausgerichteten Rillen bestätigten den Effekt. Der Roboter bewegte sich stets in einer vorhersehbaren Richtung relativ zu den Strukturen.

Für die Robotik ist das bemerkenswert. Normalerweise übernehmen Sensoren, Aktuatoren und Regelalgorithmen die Orientierung eines Roboters. Hier übernimmt ein Teil der Umgebung selbst diese Aufgabe. Dadurch könnte die Technik künftig mit deutlich weniger Elektronik, Rechenleistung und Energie auskommen als viele heutige Systeme.

Selbst Beschädigungen führen nicht sofort zum Ausfall

Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen war die Robustheit des künstlichen Muskels. Die Forschenden beschädigten den Aktuator gezielt und stachen sogar Nadeln durch einzelne Bereiche. Trotzdem blieb der Roboter funktionsfähig.

Möglich wird dies durch die verwendeten Kohlenstoffnanoröhrchen. Sie bilden ein leitfähiges Netzwerk innerhalb der Struktur. Fällt ein Bereich aus, können elektrische Ströme weiterhin über andere Bereiche fließen. Der Aktuator verliert dadurch nicht unmittelbar seine Funktion.

Für Anwendungen in schwer zugänglichen Umgebungen ist diese Eigenschaft besonders interessant. Dort können kleinere Schäden auftreten, ohne dass sofort eine Reparatur möglich ist.

Interesse für planetare Missionen

Die Arbeiten entstanden im Rahmen einer von der ESA unterstützten Forschungsaktivität. Die Raumfahrtagentur untersucht seit Jahren alternative Konzepte für die Fortbewegung auf fremden Himmelskörpern.

Klassische Rover haben auf dem Mars große Erfolge erzielt. Gleichzeitig sind sie komplexe Maschinen mit zahlreichen mechanischen Komponenten. Staub, extreme Temperaturen und unwegsames Gelände stellen hohe Anforderungen an die Technik.

Weiche Robotersysteme verfolgen einen anderen Ansatz. Sie bestehen aus weniger mechanischen Bauteilen und können sich an ihre Umgebung anpassen. Dadurch könnten sie künftig Aufgaben übernehmen, die für herkömmliche Rover schwierig oder riskant sind.

Von einem einsatzbereiten Marsroboter ist die Entwicklung allerdings noch weit entfernt. Die Forschenden sehen die Technologie derzeit vor allem als Grundlage für zukünftige Konzepte.

Wie widerstandsfähig ist der Roboter gegenüber Weltraumbedingungen?

Im Rahmen der Forschungsarbeiten untersuchte das Team auch, wie sich die verwendeten Materialien unter Bedingungen verhalten könnten, wie sie im Weltraum auftreten.

Dazu gehörten Simulationen von Belastungen durch hochenergetische Teilchen wie Protonen und Alphateilchen. Solche Strahlung spielt insbesondere außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde eine wichtige Rolle.

Die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die verwendeten Kohlenstoffnanoröhrchen gegenüber solchen Belastungen vergleichsweise robust sein könnten. Ob dies für einen langfristigen Einsatz auf dem Mars ausreicht, müssen jedoch weitere Untersuchungen zeigen.

Rohrinspektion als realistischer erster Einsatz

Deutlich näher liegt derzeit ein Einsatz auf der Erde. Thanabalan sieht insbesondere Anwendungen in Rohrleitungen und Kanalsystemen. Dort stoßen klassische Inspektionsroboter häufig auf enge Passagen, Verzweigungen oder schwer zugängliche Bereiche.

„Rüstet man den Kriecher mit einer Kamera aus, kann er zur autonomen Inspektion von Rohrleitungen eingesetzt werden“, sagt der Forscher.

Darüber hinaus kommen Anwendungen in Industrieanlagen, technischen Infrastrukturen oder Such- und Rettungseinsätzen infrage. Überall dort, wo enge Räume und schwierige Zugänge klassische Roboter einschränken, könnten weiche Systeme Vorteile bieten.