Biomechanik Roboter schwimmt und rennt wie ein Salamander

Vor 400 Millionen Jahren eroberten die Tiere vom Meer aus das Land. Ungeklärt aber ist, wie die Pioniere von Schwimmen auf Gehen umgeschaltet haben. Ein Roboter, der läuft und schwimmt wie ein Salamander, könnte jetzt Antworten liefern.


Auf den ersten Blick sieht das merkwürdige Gebilde aus wie ein an den Strand gespülter Rest einer Schwimmbarriere: eine kurze Kette aus einigen leuchtend gelben Plastikteilen, lose verbunden mit Gelenken. Doch auf den zweiten Blick sind vier an Beine erinnernde Stummel zu erkennen. Und die machen das unscheinbare Etwas zu einem der verblüffendsten Roboter der Gegenwart.

Es gibt nur wenige Maschinen, die sich ähnlich wie Tiere oder Menschen fortbewegen können, ohne dabei unfreiwillig komisch zu wirken. Noch seltener aber sind Maschinen, die gleich auf drei Arten vom Fleck kommen: Der mechanische Salamander kann kriechen, laufen und schwimmen. Doch selbst das ist nur ein Nebenprodukt seiner eigentlichen Aufgebe: Er soll helfen, eine zentrale Frage zur Entwicklung der Wirbeltiere zu beantworten - wie die Meerestiere die Fähigkeit zur Fortbewegung weiterentwickelten, als sie vor rund 400 Millionen Jahren begannen, das Land zu erobern.

Der Roboter-Salamander zeigt, dass die Umstellung möglicherweise einfacher war als bisher vermutet, schreiben Forscher aus der Schweiz und Frankreich in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts "Science" (Bd. 315, S. 1416). Schon eine simple Verstärkung des Gehirnsignals zur Steuerung der Fortbewegung könne ausreichen, um von Laufen auf Schwimmen umzuschalten.

Ein Schlüsseltier namens Salamander

Das Team um Auke Ijspeert von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne hat sich beim Roboter-Design am Salamander orientiert, weil die Amphibien den ersten Landwirbeltieren vermutlich sehr ähnlich sind: Ihr Schwimmstil ähnelt dem primitiver Fische wie dem Neunauge, und auf dem Trockenen watscheln sie wie Alligatoren und deren Urahnen. Das, schreiben Ijspeert und seine Kollegen in "Science", mache den Salamander zu einem "Schlüsseltier" bei der evolutionären Entwicklung vom Schwimmen zum Gehen.

Die Wissenschaftler untersuchten zunächst das Nervensystem der Amphibien und konzentrierten sich auf zwei Netzwerke von Nervenzellen: die sogenannten zentralen Mustergeneratoren, die sich entlang der Wirbelsäule erstrecken. Wird eines der Netzwerke aktiviert, beginnen seine Nervenzellen zu feuern - die Muskeln ziehen sich rhythmisch zusammen und entspannen sich wieder. Ein Netzwerk kontrolliert auf diese Art die Beine, das zweite die Körpermuskulatur.

Im Jahr 2003 fanden Forscher die Hirnregion, die beim Salamander die beiden Netzwerke mit Signalen versorgt. Als sie das Areal mit leichten Stromstößen traktierten, bewegten sich die Beine der Echsen. Mit wachsender Stromstärke stieg die neuronale Aktivität in den Beinen - bis sie plötzlich stoppten und stattdessen der Körper schnelle Wellenbewegungen vollführte. Es sah so aus, als wollte der Salamander schwimmen.

Maschine ahmt Tier nach

Ijspeert und seine Kollegen setzten dieses Experiment nun mathematisch um. Dabei gingen sie davon aus, dass der Mustergenerator für die Beine den für die Körpermuskulatur in die Quere kommt. Demnach wären die S-förmigen Schwimmbewegungen nur möglich, wenn das Netzwerk für die Beine schweigt.

Um die Ergebnisse ihres mathematischen Modells zu prüfen, bauten die Forscher ihren künstlichen Salamander: eine 85 Zentimeter lange Maschine aus neun Gliedern, sechs Gelenken, vier rotierenden Beinen und zehn Motoren. Als die Wissenschaftler Strom anlegten, tat sich Erstaunliches: Der Roboter bewegte sich genau wie ein Salamander. Bei geringen Stromstärken schlenderte er gemächlich dahin, bei stärkerem Strom begann er zu laufen. Auf der höchsten Stufe stellten die Beine den Dienst ein - die Maschine schlängelte sich über den Boden und durchs Wasser.

Ijspeert und seine Kollegen glauben, damit bewiesen zu haben, dass schon ein primitives neuronales Netzwerk für Schwimmbewegungen auch für das Laufen taugen kann. "Wir haben den Roboter benutzt, um zu beweisen, dass unser mathematisches Modell die Realität wiedergibt", sagte Ijspeert.

Andere Forscher teilen diese Ansicht. Tatsächlich lege die große Ähnlichkeit zwischen den Bewegungen des Roboters und eines echten Salamanders nahe, dass "die echten neuronalen Kontrollmechanismen der Salamander präzise nachgebildet" wurden, kommentierte der US-Biomechaniker John Long in "Science". Offenbar - und das ist eine für Biologen potentiell wichtige Erkenntnis - hätten die ersten Landtiere keine vollständig neuen Nervenbahnen entwickeln müssen, um ihr Repertoire an Fortbewegungsmethoden zu erweitern.

mbe



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