Nach vorn, zur Seite, nach oben, nach unten: Ein Grabe-Roboter kann mittels Druckluftdüsen durch sandigen Boden gesteuert werden. So könnte er Regionen erforschen, wo der Mensch nur schwer hinkommt - etwa den Meeresboden oder auch andere Planeten.

Ein neuartiger Untergrundroboter kann sich sehr schnell in trockenem Sand fortbewegen: mit bis zu 4,8 Metern pro Sekunde oder 17,3 Kilometern pro Stunde gräbt sich der wurmartige Softroboter unterirdisch vorwärts, auch um Hindernisse herum. Möglich mache das unter anderem Druckluft, schreibt die Forschergruppe um Nicholas Naclerio von der University of California in Santa Barbara (Kalifornien) im Fachmagazin "Science Robotics".

"Roboter eignen sich gut für die Navigation in extremen Umgebungen wie dem Weltraum, dem Meeresboden oder in Katastrophenszenarien, bei denen der Zutritt für Menschen gefährlich oder teuer ist", schreiben die Wissenschaftler. Bei bisherigen Untersuchungen sei der Untergrund weitgehend außen vor geblieben, auch deshalb, weil die Physik der Bewegung durch den Boden ungenügend erforscht sei. Naclerio und Kollegen orientierten sich bei der Entwicklung ihres Grabe-Roboters auch an biologischen Prozessen, etwa dem Wurzelwachstum der Pflanzen oder sich eingrabenden Oktopussen.

Luftgefüllter Schlauch

So bohren sich Pflanzenwurzeln in den Boden, indem die Spitze der Wurzel wächst. Dies setzten die Forscher durch einen luftgefüllten Schlauch um, der sich an der Spitze umstülpt: Das zusammengefaltete Schlauchmaterial im Inneren des Softroboters wird durch Druckluft aufgeblasen und dabei die Innenseite nach außen gekehrt. Der südliche Sandkrake (Octopus kaurna) bläst Wasser in den sandigen Meeresboden, um sich einzugraben. Mit nach vorne und unten gerichteten Druckluftdüsen übertrugen die Forscher diese Methode in eine Mechanik, die den Sand zur Seite bläst.

Wissen 03.03.21

Scheibenbauch als Vorbild Softer Roboterfisch taucht in Marianengraben

Dass eine Düse nach unten gerichtet ist, hat mit dem lithostatischen Druck zu tun, jenem Druck, den höhere Sandschichten aufgrund ihres Gewichts auf tiefer gelegene ausüben. Weil dieser Druck weiter unten größer ist als weiter oben, erhalten Roboter, die sich horizontal durch den Boden bewegen, einen Auftrieb, ähnlich wie bei U-Booten im Wasser. Dem wirkt die Druckluft mit der Düse nach unten entgegen. Außerdem brachten die Wissenschaftler am vorderen Ende des Roboters einen Keil an, der der Kopfform des Apothekerskinks (Scincus scincus) nachempfunden ist; damit verringert der Skink - und nun auch der Roboter - den Auftrieb.

Mögliche Anwendungen auf der Erde und anderen Himmelskörpern

Den Neigungswinkel kann der Roboterführer ein Stück weit über die Menge an Druckluft steuern. Zusätzlich sind Sehnen im Inneren des Roboters angebracht, mit deren Hilfe die Spitze nach links und rechts, oben und unten gesteuert werden kann. Mögliche Anwendungen auf der Erde umfassten die Entnahme von Bodenproben, minimalinvasive Bewässerung, das Suchen und Retten oder Kornspeicherinspektionen, schreiben die Forscher. Weitere Einsatzmöglichkeiten sehen sie bei der Erkundung anderer Himmelskörper.

In einem Kommentar, ebenfalls in "Science Robotics", schreibt Junliang Tao von der Arizona State University in Tempe: "Obwohl dieser Roboter für langes, flaches, gerichtetes Graben in trockenen, losen Böden geeignet ist, ist er möglicherweise nicht ideal für Anwendungen in tiefen, feuchten, anhaftenden Böden oder für solche, die ungebundene, eigenständige Roboter ohne Oberflächenunterstützung erfordern." Außerdem sei die Nutzung des Roboters mit hohen Energiekosten für die Druckluft verbunden; hier gelte es, bei Verbesserungen anzusetzen.