Geländegängiger Roboter läuft über Sand und Schlamm

Laufen ist beschwerlich, wenn der Untergrund nachgibt – wie lockerer Sand, schlammiger Boden oder dickes Gras. Für Roboter mit Beinen statt Rädern sind solche Böden besonders hinderlich. Deshalb untersuchten Forscher jetzt optimale Beinformen und Schrittfrequenzen und schauten sich dafür einige Tricks in der Tierwelt ab. Denn der Trend geht zu immer kleineren, autonomen Robotern, bei denen Räder in rauem Gelände leicht verkeilen können oder unverhältnismäßig groß sein müssten. Der nur 13 Zentimeter lange erfolgreichste Prototyp der Forscher hingegen hat sechs C-förmige Beine und ahmt das Laufen von Insekten oder Sandeidechsen nach, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

Grafische Simulation des Roboters, an dessen kastenförmigen Körper je Seite drei C-förmige Beine zeitlich versetzt um drei Achsen drehen.
Simulation des Roboters

Daniel Goldman vom Georgia Institute of Technology und seine Kollegen hatten zunächst per 3D-Drucker diverse Beinformen konstruiert und beobachtet, wie diese sich auf körnigen Oberflächen bewegten. An ihrem Testroboter mit sechs Beinen konnten sie auch die angreifenden Kräfte messen und analysieren, wie die Beine Bewegung und Tempo des Roboters über verschiedene Testfelder beeinflussten. Die Berechnung solcher Bewegung kann deutlich komplexer sein als etwa im Wasser, weil Kräfte wie Widerstand und Auftrieb jedes Bein unterschiedlich beeinflussen. Nicht zuletzt spielt auch die Form der Füße sowie die Art des Auftretens und des Heraushebens aus der körnigen Masse eine Rolle.

Trotzdem gelang es dem Team, das Formelwerk stark zu vereinfachen: Die Kräfte für unabhängige Bereiche aller Roboterbeine ließen sich einfach für den gesamten Roboter zusammenfassen und stimmten trotzdem mit den tatsächlichen Messwerten auch in unterschiedlichen Böden – von Mohn über Sand bis Gras – gut überein. Nur für kompliziert aufgebaute körnige Materialien seien Zusatzfaktoren mit einzurechnen, etwa die Rundheit der Körner. Das Zusammenfassen vereinfacht auch die Computerberechnung, berichtet das Team.

Kleiner Roboter in einem Glasbehälter mit Mohnsamen.Geländegängiger Roboter
Video: Roboter im Lauf

Für die Praxis stellte sich heraus: Am besten funktionierten auf körnigem Untergrund konvexe Beine – in Form eines nach vorne offenen, großen C mit der Achse am Scheitelpunkt. Diese sanken zwar auch in den Boden ein, konnten aber beim Weiterbewegen fortlaufend Druck aufbauen und glitten am Ende leicht wieder hinaus. Mit ihnen war der nur 13 Zentimeter lange und 150 Gramm schwere Testroboter nicht ganz so effizient wie Insekten oder Eidechsen, doch dürften laufende Roboter in der Wüste oder auf dem Mars damit deutlich besser vorankommen als andere, so Goldman: „So lange die Beine konvex sind, erzeugt der Roboter großen Auftrieb und wenig Widerstand und kann deshalb schnell laufen.“