Was einfache Laufroboter über unsere Beinbewegung erzählen

Laufforscher der Universität Jena konstruieren und erforschen künstliche Beine
Maschinen zu entwickeln, die alltägliche Bewegungen, wie Gehen oder Rennen ausführen, stellt Forscher in aller Welt immer noch vor Probleme. Zwar gibt es Laufroboter, doch der träge Gang der kilo-schweren Maschinen erinnert eher an schleichende Opas, denn an dynamische Läufer. „Wenn wir laufen, dann federn unsere Gelenke den Aufprall ab“, erklärt Dr. André Seyfarth. Dieses flexible Nachgeben sei essenziell für die Laufbewegung, ebenso die Reibung, die an unseren Fußflächen entsteht. Beim Rennen berührt ein Fuß lediglich für Sekundenbruchteile den Boden. „Trotzdem erreichen wir eine stabile Bewegung ohne zu fallen“, verdeutlicht der Bewegungsforscher von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Mit seinem Team vom Lauflabor ist er angetreten, um den Gangartwechsel beim Menschen zu erforschen. Ein Ziel der Forschung ist die Konstruktion einfacher Laufroboter. Gab es diese künstlichen Beine vor einem Jahr nur auf dem Papier, so hüpft jetzt ein gemeinsam mit Ingenieuren der Ilmenauer Firma Tetra gebauter Prototyp im Kreis im Labor herum.

Neben der Analyse von Gangmustern am Messlaufband und der Simulation der Beinbewegung am Computer, haben die Jenaer Wissenschaftler so den biologischen (Vor)Gang technisch umgesetzt. „Wer bei Laufrobotern an Maschinen auf zwei Beinen denkt, wird von unserer simplen mechanischen Umsetzung wahrscheinlich enttäuscht sein“, sagt Seyfarth. Doch wer sich dafür interessiert, welche fundamentalen Gesetze unserer Beinbewegung innewohnen, dem geben die überraschend einfachen Beinroboter erstaunliche Auskünfte.

„Wir haben uns gefragt, was sind die Grundanforderungen, die wir an ein Bein stellen“, erläutert Seyfarth das Vorgehen. Zwei Metallstäbe, Ober- und Unterschenkel federnd gelagert und durch ein Scharniergelenk verbunden, werden von der Hüfte her mit einem Motor angetrieben. Mehr braucht es eigentlich nicht für einen laufenden Roboter. Der Motor erzeugt eine Schwingung und steht stellvertretend für unsere oszillierenden Muskeln. „Genau wie diese weiß der Motor nicht, wohin die Bewegung gehen wird“, erklärt der Jenaer Wissenschaftler. Die Bewegungsrichtung werde durch die Beinkonstruktion bestimmt.

Die Füße haben die Jenaer Wissenschaftler in den ersten Modellbeinen noch vernachlässigt. Um eine natürlich anmutende Hüpfbewegung zu erreichen, werden sie nicht gebraucht. „In dieser Einfachheit liegt der wissenschaftliche Gewinn“, ist sich Seyfarth sicher. Relativ schnell stellte sich allerdings heraus, dass die künstlichen Metallbeine ohne Fuß auf der Bodenplatte wegrutschten. Ein elastischer Gummipfropfen aus dem Material, aus dem auch Laufschuhe sind, löste dieses Problem. „Das zeigt, wie wichtig die Reibung beim Laufen ist“, nennt Seyfarth eine wesentliche Erkenntnis. Natürlicherweise sind es schon die Fersen- und Ballenpolster am Fuß, die den Stoß abfangen helfen.

Beim Gangartwechsel gibt es keinen schleichenden Übergang, sondern je nach Geschwindigkeit gehen wir oder wechseln bei höheren Geschwindigkeiten schlagartig zum zweibeinigen Hüpfen, was unser Rennen eigentlich ist. Bei schnellen dynamischen Bewegungen verschwinden die Details, die Muskulatur muss sich auf die Beinmechanik verlassen können. Das haben die Bewegungsforscher bei ihren Experimenten erkannt und beim Bau der Laufroboter berücksichtigt. „Die Weiterentwicklung von künstlichen Beinen, die selber stabil laufen, könnte zum Beispiel zu besseren Beinprothesen führen“, erläutert Seyfarth den Nutzen der grundlegenden Forschung im Lauflabor der Uni Jena.

Kontakt:
Dr. André Seyfarth
Nachwuchsforschergruppe „Lauflabor“ der Universität Jena
Dornburger Str. 23, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 945730
E-Mail: oas@uni-jena.de