Bioinspirierte Robotik: Von Libellen lernen

Forschungsteam der Uni Kiel entschlüsselt Fangapparat der aquatischen Jäger

Fangmaske der Libellenlarve
© Christophe Brochard/Brochard Photography

Der Fangapparat der Libelle besteht aus einem dualen Katapultsystem, das es ermöglicht, Beutetiere in Sekundenbruchteilen zu greifen.

Es ist eine Hochgeschwindigkeitsbewegung: In Sekundenbruchteilen schnellt das Mundwerkzeug der Libellenlarve nach vorn, um ihre Beute zu greifen. Jahrzehntelang waren Forschende davon ausgegangen, dass es sich hierbei um einen hauptsächlich hydraulischen Vortrieb handeln müsse. Nun ist es Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erstmals gelungen, das biomechanische Funktionsprinzip der sogenannten Fangmaske der Libellenlarve vollständig zu entschlüsseln. Maßgeblich dazu beigetragen hat die Entwicklung eines bioinspirierten Roboters, für den das Team um Dr. Sebastian Büsse vom Zoologischen Institut die Funktionsweise des komplexen Mundwerkzeugs adaptiert hat, um die eigenen Hypothesen zu überprüfen – und dessen Technologie eine signifikante Verbesserung für agile Robotersysteme bedeuten könnte. Die Ergebnisse des ambitionierten Forschungsvorhabens wurden am Mittwoch, 20. Januar, in der renommierten Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

Bewegungsabläufe durch Robotik anschaulich machen

Roboter aus dem 3D-Drucker
© Alexander Köhnsen, CAU Kiel

Entstanden im 3D-Drucker: Die Wissenschaftler des Zoologischen Instituts der CAU haben die biomechanischen Funktionsprinzipien der Fangmaske für die Robotik adaptiert.

„Einer der großen Vorteile von bioinspirierten Robotern ist die Möglichkeit, Ideen über biologische Funktionsprinzipien zu testen, die anders sehr schwer zu überprüfen wären. Robotik funktioniert idealerweise in zwei Richtungen. Wir lernen etwas über die Biologie und entwickeln etwas technisch Anwendbares“, erläutert Erstautor Büsse die Methodik hinter seinem Projekt.

Mithilfe verschiedener interdisziplinärer Analysetechniken konnte das Team zunächst die Funktionsweise der Fangmaske entschlüsseln. Berechnungen ergaben, dass ihre Muskulatur nicht über ausreichend Leistung verfügt, um die beobachteten Bewegungen ohne zusätzliche Energiespeicher auszuführen. Der Vortrieb der Mundwerkzeuge der Libellenlarven funktioniere demnach vielmehr über ein steuerbares Katapultsystem: eine innere, elastische Struktur im Libellenkopf, die wie eine Sprungfeder von einem Muskel gespannt wird. Hierbei werde die Energie des Muskels gespeichert. Die beiden Segmente der Fangmaske sind miteinander verbunden und werden durch einen gemeinsamen Mechanismus arretiert und ausgelöst.

Derartige Systeme seien im Tierreich zwar weit verbreitet und fänden sich beispielsweise bei Heuschrecken, Zikaden oder Fangschreckenkrebsen, so die Kieler Forscher. Die Besonderheit bei der Libellenlarve liege jedoch darin, dass hier erstmals ein synchronisiertes, duales Katapultsystem beschrieben sei. „Zwei Katapulte liegen in einer Struktur, können aber individuell vorgespannt werden. Sie arbeiten zusammen, um die Fangmaske präzise zu steuern“, ergänzt Alexander Köhnsen, Student und Projektbeteiligter.

Mit Biomechanik zu effizienteren Robotersystemen

Portrait
© Esther Appel

Sebastian Büsse gehört zur Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik von Professor Dr. rer. nat. Stanislav N. Gorb am Institut für Zoologie.

„Wir haben unsere Hypothese des komplexen Ablaufes mittels 3D-Animationen der Vorgänge visualisiert, um sie verständlicher zu kommunizieren“, so Köhnsen weiter. Dabei wurde auch deutlich, dass die unabhängige Steuerung von zwei Katapulten innerhalb eines Systems eine bessere Kontrolle bedeute. Anwendung könnte die Technologie in der Entwicklung besonders agiler Roboter finden. „Unser System erlaubt eine bessere Steuerung eines katapultgetriebenen Vorganges, zum Beispiel dem Springen, wodurch zusätzliche Kontroll- und Stabilisationssysteme kleiner und leichter ausfallen sollten. Dies könnte die Leistung und Effizienz solcher Roboter erhöhen“, so Projektleiter Büsse. Einen ersten Testlauf dafür hat es bereits gegeben. Um seine Hypothesen zu überprüfen, hat das Forschungsteam erfolgreich einen Roboter im 3D-Druckverfahren gefertigt. Professor Stanislav N. Gorb, Leiter der Abteilung Funktionelle Morphologie und Biomechanik und Seniorautor der Studie zieht Bilanz: „Nach vielfältigen, modernen Struktur- und Bewegungsanalysen am Ende einen funktionierenden, bioinspirierten Roboter hier in Kiel zu entwickeln, der durch seinen speziellen Aufbau einen tieferen Einblick in die Funktionsweise des biologischen Vorbildes ermöglicht hat – das war fantastisch.“

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Libellenlarve mit Beute
© Christophe Brochard/Brochard Photography

Libellenlarven sind aquatische Räuber, zu finden vor allem in mitteleuropäischen Teichen und Flüssen.

Grafik
© Büsse et al., Sci. Robot. 6, eabc8170 (2021)

Das Kieler Forschungsteam hat die muskuläre Struktur des Fangapparates im Schädel der Libellenlarve mithilfe von CT-Aufnahmen visualisiert.

Originalpublikation:

Büsse, S., Koehnsen A., Rajabi H., Gorb S.N.: A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics ofthe dragonfly larvae’s predatory strike. Science Robotics 6, eabc8170 (2021). DOI 10.1126/scirobotics.abc8170

Das Forschungsprojekt „Von der Larve zum Imagine - Morphologie und Materialzusammensetzung der Mundwerkzeugen von Odonata mit Fokus auf die Biomechanik und Ontogenese” wird seit 2014 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Wissenschaftlicher Kontakt:

Dr. Sebastian Büsse
Funktionelle Morphologie und Biomechanik, AG Gorb
Zoologisches Institut
0431/880-4507
sbuesse@zoologie.uni-kiel.de
www.sgorb.zoologie.uni-kiel.de/?page_id=15

Pressekontakt:

Anna-Kristina Pries
Sachgebiet Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation