Bionik heißt das kreative Umsetzen von Phänomenen aus der Natur in Technologie. In zahlreichen Forschungsbereichen, von der Materialwissenschaft hin zur Chemie, orientieren sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an biologischen Vorbildern und versuchen, diese mithilfe von Technik zu imitieren. Seit geraumer Zeit gehört auch die Robotik dazu. Das jüngste Beispiel liefern Forschende des MIT: Sie haben einen Mini-Roboter entwickelt, der sich ein Vorbild an Insekten nimmt.

In einer Studie in der Fachzeitschrift Science Advances stellen sie einen Roboter vor, der aussieht, als würde er auf einem Pogo-Stick springen. „Durch diese Art des Springens werden die Energiekosten um 64 Prozent gesenkt und die Nutzlast des Roboters um mehr als das Zehnfache erhöht“, schreibt das Team um den MIT-Doktoranden Yi-Hsuan Hsiao.

Die Ausgangslage für die Studie war die Frage, wie man einen Mini-Roboter so gestalten kann, dass er sich möglichst energieeffizient auf unterschiedlichstem Terrain bewegen kann. Krabbelnde Roboter sind zwar vergleichsweise effizient, scheitern aber häufig an Hindernissen, über die sie nicht krabbeln können. Fliegende Roboter haben das Problem zwar nicht, aber dafür benötigen sie viel Energie, um in der Luft zu bleiben.

In der Natur haben Insekten noch eine dritte Art der Fortbewegung: Sie springen, wie man es etwa von Grashüpfern, Flöhen und einigen Spinnen kennt. Genau das wollten die Forscher imitieren.

Herausgekommen ist ein Roboter, der kleiner ist als ein Daumen, aber der bis zu 20 Zentimeter in die Luft springen kann, also rund viermal so hoch wie er groß ist. Mit jedem Aufprall erzeugt er kinetische Energie, die dann wieder für den nächsten Sprung verwendet wird. Somit kann er sich nicht nur energieeffizient bewegen, sondern auch unterschiedlichste Untergründe und kleinere Hindernisse meistern.

Der Spring-Mechanismus besteht aus einer Feder und ähnelt damit tatsächlich dem eines Pogo-Sticks. Der Clou steckt in der Steuerung: Bei jedem Sprung muss der Roboter berechnen, wie er landet, wie er sich ausrichten muss, um in die gewünschte Richtung zu hüpfen – und das in kürzester Zeit. Dabei helfen vier kleine Flügel an der Oberseite, die, ähnlich wie bei Insekten, für das Gleichgewicht sorgen.

„Mit einer idealen Feder könnte der Roboter weiter hüpfen, ohne Energie zu verlieren. Da unsere Feder aber nicht ganz ideal ist, verwenden wir die Flügel-Module, um die geringe Energie zu kompensieren, die er beim Kontakt mit dem Boden verliert“, erklärt Hsiao. Im Vergleich zu fliegenden Robotern in der gleichen Größe benötigt der hüpfende Roboter rund 60 Prozent weniger Energie.

Mithilfe von Sensoren und Algorithmen berechnet der Roboter für jeden Sprung die nächste Landeposition, basierend auf Daten wie der Sprunggeschwindigkeit und dem Abflugwinkel. Durch die Bewegung der Flügel kann er sich entsprechend ausrichten, um mit dem richtigen Winkel und der richtigen Achse aufzukommen, um sich in die gewünschte Richtung zu bewegen. Das Ganze findet innerhalb weniger Millisekunden statt.

Im Labor konnte sich der Roboter über verschiedene Oberflächen und Hindernisse hinwegbewegen. Auch Oberflächen, die sich spontan bewegten, brachten ihn nicht zum Fall, außerdem soll er kleine Kollisionen ausgleichen können. „Solange er nicht ausrutscht, wenn er auf dem Boden aufschlägt, ist alles in Ordnung“, sagt Studienleiter Hsiao.

Da er vergleichsweise wenig Energie für die Fortbewegung benötigt, ist es möglich, ihn mit einer höheren Nutzlast auszustatten, etwa mit zusätzlichen Sensoren. „Das eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung autonomer Mikroroboter, die schwieriges Gelände durchqueren können“, schreiben die Forscher.

Tatsächlich sind Mikroroboter ein zunehmend wichtiges Forschungsfeld, um Daten dort zu erheben, wo Menschen nur schlecht hinkommen, sei es nach Naturkatastrophen, zum Umwelt-Monitoring oder auch in der Industrie, um etwa Lecks und Risse in Anlagen zu finden.