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Jul 22, 2023

Regenwurmroboter könnten Astronomen dabei helfen, andere Welten zu erkunden

Bei der Entwicklung von Robotern für die Weltraumforschung lassen sich Ingenieure und Entwickler häufig von der Natur inspirieren. Von Schlangen über Raupen bis hin zu Fischen gibt es viele verschiedene Arten natürlicher Bewegungen

Bei der Entwicklung von Robotern für die Weltraumforschung lassen sich Ingenieure und Entwickler häufig von der Natur inspirieren. Von Schlangen über Raupen bis hin zu Fischen wurden viele verschiedene Arten natürlicher Bewegungen von den Körpern von Weltraumrobotern nachgeahmt. Der neueste dieser sogenannten biomimetischen Roboterkörper stammt vom Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Genua, Italien – und wurde ausgerechnet von Regenwürmern inspiriert. Da sich Regenwürmer so entwickelt haben, dass sie in einer Vielzahl unterschiedlicher Bodentypen überleben und sich häufig in engen Räumen bewegen, könnten ihre Körper perfekt für die Erkundung fremder Planeten geeignet sein.

„Dieser Roboter kann ein Sprungbrett dafür sein, warum der bioinspirierte Ansatz für die Entwicklung besserer Roboter relevant ist, die diesen Zweck erfüllen und sicherlich die Entwicklung anderer Roboter inspirieren“, sagte Riddhi Das, Postdoktorandin am IIT und Erstautorin von der Regenwurmartikel in Nature Scientific Reports, erzählt Astronomy. „Unser bioinspirierter Ansatz zeigt, dass ein sorgfältiges Verständnis der internen Biomechanik dabei hilft, den realen Organismus und die Entwicklung eines Roboters zu verstehen, der ähnlich funktioniert.“

Der Regenwurmroboter fällt in den Bereich der „Soft-Robotik“, wo Ingenieure und Entwickler Roboter mit weichen und flexiblen Körpern entwerfen, die normalerweise aus Silikon oder Gummi bestehen.

„Soft-Robotik eignet sich gut für mehrere Aufgaben auf der Erde, insbesondere für den Umgang mit empfindlichen oder flexiblen Gegenständen“, sagt Meera Day Towler, leitende Forschungsingenieurin am Southwest Research Institute, die sich mit Soft-Robotik beschäftigt. „Dazu gehören Aufgaben wie Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung. Dieselben Arten von Aufgaben sind im Weltraum nützlich, um den Betrieb an Bord einer Raumstation zu unterstützen.“

Weiche Roboter sind wertvoll, weil sie ihre flexiblen Rahmen dehnen oder drehen können, um in kleinere Räume zu passen oder durch diese zu navigieren. Im Fall der Regenwurmroboter von Das könnten sie sich sogar in den Boden graben, um den rauen Oberflächenbedingungen auf nahegelegenen Welten zu entgehen. Obwohl diese Roboter einige einzigartige Vorteile bieten, haben sie auch ihre Grenzen. Towler fügte hinzu, dass diese Maschinen „von Natur aus nicht gut für das Vakuum des Weltraums geeignet sind“. Diese Herausforderung zwingt Wissenschaftler wie Das dazu, an Körperdesigns zu arbeiten, die weiche Roboter vakuumbeständiger und damit vielseitiger für den Einsatz machen.

Im Gegensatz zur Soft-Robotik konzentriert sich die „Hard-Robotik“ auf strukturiertere Roboterkörperdesigns aus starren Materialien wie Kunststoffen oder Metallen, wie zum Beispiel Planetenrover. Von Roboterarmen bis hin zu Rädern können diese „harten Roboter“ für den Transport schwerer Lasten von Planetenmaterial wie Gesteinsproben ausgelegt sein oder für die Bewegung über felsiges oder unebenes Gelände vorbereitet sein.

Laut Martin Azkarate, Ingenieur für Roboternavigationssysteme bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA): „Das Fortbewegungssubsystem eines Erkundungsrovers hängt immer vom Zielerkundungsgelände ab. Beispielsweise haben wir auf dem Mars nur Rover mit Rädern gesehen, da dies die effizienteste Fortbewegungsart ist, um die riesigen Gebiete auf dem Mars zu durchqueren. Aber zum Beispiel bei der Erkundung eines Mondkraters oder von Mondoberlichtern könnten auch andere Fortbewegungsarten in Betracht gezogen werden (Gehen, Springen oder schlangenartige Roboter).“

Mit anderen Worten: Obwohl harte Roboter eindeutig über spezifische Stärken verfügen, wie z. B. die Fähigkeit, extremen Umgebungen standzuhalten und schwere Lasten zu tragen, fehlt ihnen die Flexibilität weicher Roboter.

Während Weltraumorganisationen wie die NASA, die ESA und sogar private Raumfahrtunternehmen wie SpaceX weiche und harte Roboter einsetzen, glaubten Das und sein Team am IIT, dass der Schlüssel zur Eignung ihres Regenwurmroboters für die Weltraumforschung in seiner Bewegung liege.

„Ich habe versucht, die Bedeutung einiger anatomischer Merkmale des Regenwurms und ihre Rolle bei der Erzeugung der Fortbewegung unter der Oberfläche zu verstehen, und habe einen peristaltischen Softroboter entworfen, der sich davon inspirieren ließ“, sagt Das. „Die Idee entstand, weil es bisher an echten Grabrobotern mangelte.“

Peristaltik ist eine Art Druckbewegung, die Muskeln ausführen, um sich vorwärts zu bewegen. Diese Bewegung findet beim Essen in der Speiseröhre statt, da die Nahrung durch Peristaltik von unserem Mund in unseren Magen gelangt.

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Das und sein Team konnten diese Bewegung in ihrem Roboter aufrechterhalten, indem sie in jedem Segment ein balgartiges System, den Peristaltic Soft Actuator (PSA), verwendeten. „Der Raum zwischen dem zentralen Teil und der Haut ist mit Flüssigkeit konstanten Volumens gefüllt“, erklärt Das. Dieses konstante Flüssigkeitsvolumen kann den Regenwurmroboter vakuumbeständiger und robuster gegenüber Druckänderungen machen.

„Wenn Luft in den PSA geleitet wird, verlängert sich der zentrale Teil, wodurch das gesamte Modul lang und dünn wird“, fügt er hinzu. „Das ist die genaue Form des Regenwurmsegments, wenn sich die Ringmuskeln zusammenziehen. Wenn Luft aus dem PSA angesaugt wird, wird der mittlere Teil ebenfalls komprimiert, wodurch das gesamte PSA-Modul kurz und dick wird. Diese Formveränderung ähnelt dem Regenwurmsegment, wenn sich die Längsmuskeln zusammenziehen.“

So wie sich Regenwürmer durch Dehnen und Zusammendrücken jedes Segments in ihrem Körper fortbewegen, könnte auch ein Regenwurmroboter diese Art von Bewegung nutzen, um sich durch eine Reihe verschiedener Materialien vorwärts zu bewegen.

Der Prototyp des Regenwurmroboters ist etwa 45 Zentimeter lang und verfügt über fünf PSA-Segmente, die mit winzigen Borsten, sogenannten Setae, bedeckt sind, die auch bei lebenden Regenwürmern vorkommen. Während diese Borsten und die peristaltische Bewegung Das‘ Roboter im Vergleich zu anderen Soft-Space-Robotern bereits einzigartig machen, kann der Regenwurmroboter auch graben.

„Planetenausgrabungen sind eine entscheidende Anwendung aller grabenden peristaltischen Roboter“, sagt Das. Durch das Graben kann der Roboter nicht nur extreme Umgebungen meiden, sondern auch Planetenbodenproben für spätere Untersuchungen sammeln. Allerdings ist das erfolgreiche Graben für einen Softroboter oft schwierig, insbesondere wenn er schwere Erde verdrängen muss.

Obwohl das aktuelle Modell ihres Regenwurmroboters immer noch Schwierigkeiten hat, sich durch groben Boden zu bewegen, sind Das und sein Team gespannt, welche Verbesserungen am System vorgenommen werden können. „Sobald wir umfassende Kenntnisse über seine Fähigkeiten haben“, sagt er, „können wir es für Weltraumforschungsmissionen einsetzen.“