Bioinspirierte Robotik: Von Libellen lernen

Entstanden im 3D-Drucker: Die CAU-Wissenschaftler haben die biomechanischen Funktionsprinzipien der Fangmaske für die Robotik adaptiert.
© Alexander Köhnsen, CAU Kiel

Forschungsteam der Uni Kiel entschlüsselt Fangapparat der aquatischen Jäger.

Es ist eine Hochgeschwindigkeitsbewegung: In Sekundenbruchteilen schnellt das Mundwerkzeug der Libellenlarve nach vorn, um ihre Beute zu greifen. Jahrzehntelang waren Forschende davon ausgegangen, dass es sich hierbei um einen hauptsächlich hydraulischen Vortrieb handeln müsse. Nun ist es Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erstmals gelungen, das biomechanische Funktionsprinzip der sogenannten Fangmaske der Libellenlarve vollständig zu entschlüsseln.

Maßgeblich dazu beigetragen hat die Entwicklung eines bioinspirierten Roboters, für den das Team um Dr. Sebastian Büsse vom Zoologischen Institut die Funktionsweise des komplexen Mundwerkzeugs adaptiert hat, um die eigenen Hypothesen zu überprüfen – und dessen Technologie eine signifikante Verbesserung für agile Robotersysteme bedeuten könnte. Die Ergebnisse des ambitionierten Forschungsvorhabens wurden am Mittwoch, 20. Januar, in der renommierten Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

Bewegungsabläufe durch Robotik anschaulich machen

„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“, erläutert Erstautor Büsse die Methodik hinter seinem Projekt.

Mithilfe verschiedener interdisziplinärer Analysetechniken konnte das Team zunächst die Funktionsweise der 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 werde die Energie des Muskels gespeichert. Die beiden Segmente der Fangmaske sind miteinander verbunden und werden durch einen gemeinsamen Mechanismus arretiert und ausgelöst.

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

Mit Biomechanik zu effizienteren Robotersystemen

„Wir haben unsere Hypothese des komplexen Ablaufes mittels 3D-Animationen der Vorgänge visualisiert, um sie verständlicher zu kommunizieren“, so Köhnsen weiter. Dabei wurde auch deutlich, dass die unabhängige Steuerung von zwei Katapulten innerhalb eines Systems eine bessere Kontrolle bedeute. Anwendung könnte die Technologie in der Entwicklung besonders agiler Roboter finden.

„Unser System erlaubt eine bessere Steuerung eines katapultgetriebenen Vorganges, zum Beispiel dem Springen, wodurch zusätzliche Kontroll- und Stabilisationssysteme kleiner und leichter ausfallen sollten. Dies könnte die Leistung und Effizienz solcher Roboter erhöhen“, so Projektleiter Büsse. Einen ersten Testlauf dafür hat es bereits gegeben. Um seine Hypothesen zu überprüfen, hat das Forschungsteam erfolgreich einen Roboter im 3D-Druckverfahren gefertigt. Professor Stanislav N. Gorb, Leiter der Abteilung Funktionelle Morphologie und Biomechanik und Seniorautor der Studie zieht Bilanz: „Nach vielfältigen, modernen Struktur- und Bewegungsanalysen am Ende einen funktionierenden, bioinspirierten Roboter hier in Kiel zu entwickeln, der durch seinen speziellen Aufbau einen tieferen Einblick in die Funktionsweise des biologischen Vorbildes ermöglicht hat – das war fantastisch.“

Das Forschungsprojekt „Von der Larve zum Imagine – Morphologie und Materialzusammensetzung der Mundwerkzeugen von Odonata mit Fokus auf die Biomechanik und Ontogenese” wird seit 2014 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Büsse
Funktionelle Morphologie und Biomechanik, AG Gorb
Zoologisches Institut der CAU
Telefon: 0431/880-4507
E-Mail: sbuesse@zoologie.uni-kiel.de

Originalpublikation:

Büsse, S., Koehnsen A., Rajabi H., Gorb S.N.: A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics ofthe dragonfly larvae’s predatory strike. Science Robotics 6, eabc8170 (2021). DOI 10.1126/scirobotics.abc8170

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/007-bioinspirierte-robotik

Media Contact

Claudia Eulitz Presse, Kommunikation und Marketing
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie

Neuerungen und Entwicklungen auf den Gebieten der Informations- und Datenverarbeitung sowie der dafür benötigten Hardware finden Sie hier zusammengefasst.

Unter anderem erhalten Sie Informationen aus den Teilbereichen: IT-Dienstleistungen, IT-Architektur, IT-Management und Telekommunikation.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

Autonomes High-Speed-Transportfahrzeug für die Logistik von morgen

Schwarm-Logistik Das Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML entwickelt eine neue Generation fahrerloser Transportfahrzeuge: Der LoadRunner kann sich dank Künstlicher Intelligenz und Kommunikation über 5G im Schwarm organisieren und selbstständig…

Neue Möglichkeiten in der druckunterstützten Wärmebehandlung

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden verstärkt seine technologische Kompetenz im Bereich der druckunterstützten Wärmebehandlung mit der Neuanschaffung einer Quintus Hot Isostatic Press QIH 15L. Damit…

Virenfreie Luft durch neuartigen Raumlüfter

In geschlossenen Räumen ist die Corona-Gefahr besonders groß. Aerosole spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Sars-CoV-2 und erhöhen die Konzentration der Corona-Viren in Büros und Co. Ein neuartiges…

Partner & Förderer