Roboter haben uns dabei geholfen, die Welt zu erkunden – von den Tiefen der Ozeane bis zu Berggipfeln und ins Weltall. Während Forscher Maschinen entwickelt haben, die besser schwimmen, laufen oder fliegen können als viele Tiere, stoßen Ingenieure bei der Grabfähigkeit an Grenzen.
Um ein Gerät zu schaffen, das sich sicher durch unterirdische Umgebungen bewegt, ließen sich Wissenschaftler der University of California und des Georgia Institute of Technology von der Natur inspirieren.
Anstelle eines starren mechanischen Bohrers, der gegen Bodenwiderstände ankommt, entwickelte das Team einen flexiblen Weichroboter, der die Physik der Umgebung nutzt.
Dieser Roboter navigiert durch sandiges Gelände auf vielseitige Weise. Für vertikale Bewegungen verhält er sich wie das Wurzelsystem einer Pflanze: Die Spitze dehnt sich aus und schiebt umliegendes Material beiseite. Mithilfe von „Sehnen“ an beiden Seiten steuert das Team die Bewegungen – so meistert der Roboter scharfe Kurven auf gewundenen Pfaden.
Für horizontale Fortbewegung imitiert er den Sandoktopus: Er bläst Luft asymmetrisch aus der Spitze, um den Sandwiderstand zu verringern. Dieses Prinzip der Luftfluidisierung lässt Sandpartikel wie eine Flüssigkeit wirken.
„Im Gegensatz zu Gas oder Flüssigkeit erfährt ein symmetrisches Objekt beim horizontalen Vorankommen in einem granularen Medium Auftrieb. Es ist einfacher, den Sand nach oben zu schieben, als ihn unten zu verdichten“, erklärt Dr. Nicholas Naclerio, Hauptautor der Studie.
„Unser Roboter taucht daher nur mit Vorwärtsluftstrom wieder auf. Gegen diesen Auftrieb wirkt ein nach unten gerichteter Luftstrom. Die asymmetrische Kombination ermöglicht kontrolliertes horizontales Graben.“
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Der Prototyp misst 6 cm im Durchmesser und streckt die Spitze bis zu 1 m aus. Die Forscher haben bereits Varianten von 2 mm Dicke bis 70 m Länge getestet.
Die Technik aus Spitzenverlängerung und Luftfluidisierung wurde in Sand erprobt. Nun kooperiert das Team mit der NASA, um Roboter für das Einbuddeln auf dem Mond oder die Erkundung entfernter Himmelskörper wie Enceladus, einem Jupitermond, zu optimieren.
„Weichroboter haben sich im Weltraum bisher nicht bewährt, könnten aber mit komprimiertem Gas, chemischen Generatoren oder lokalen Gasen betrieben werden“, sagt Naclerio.
„Luftfluidisierung eignet sich für trockene Medien wie Sand, Wasserfluidisierung für feuchte wie Erde oder Ton. Spitzenexpansion passt auch zu Bohrern für weitere Umgebungen.“