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Technik

Oktopus-Handschuh entwickelt

Nases sanft im Griff - mit dem „Octa-glove“. © Virginia Tech

Was unseren Händen im Wasser leicht entgleitet, kann ein Oktopus bekanntlich problemlos festhalten. Um die Fähigkeiten der skurrilen Wassertiere auf den Menschen zu übertragen, haben Forscher nun einen biologisch inspirierten Handschuh entwickelt. Er ist mit Saugnäpfen ausgestattet, deren Haltekraft durch ein Sensorsystem automatisch gesteuert wird. Mit dem „Octa-glove“ lassen sich dadurch nasse Objekte sicher und sanft greifen, zeigen Tests. Das Konzept besitzt damit zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, sagen die Entwickler.

Der Mensch ist ein Landlebewesen – um in der Unterwasserwelt zurechtzukommen, müssen wir uns deshalb technisch ausstatten: Tauchflaschen ermöglichen das Atmen, Neoprenanzüge wärmen und Brillen ermöglichen das Sehen. Um eine weitere Schwäche unter Wasser auszugleichen, gibt es hingegen bisher kaum effektive Lösungen: Unsere Hände können nasse Gegenstände meist nur schwer greifen. Diese Fähigkeit ist allerdings gefragt: Rettungstaucher, Unterwasserarchäologen und viele andere „aquatische Handwerker“ müssen mit glitschigen Gegenständen oder Lebewesen hantieren. Um sie festzuhalten, muss oft der Greifdruck stark erhöht werden. Doch dabei können empfindliche Gegenstände oder Lebewesen natürlich Schaden nehmen.

Achtarmige Vorbilder im Visier

Das Forscherteam um Michael Bartlett von der Virginia Tech in Blacksburg hat sich deshalb nun der Entwicklung eines Konzepts gewidmet, das Menschen mehr Fingerspitzengefühl im Wasser ermöglichen soll. Wie so oft in der Technik ließen sich die Wissenschaftler von der Natur inspirieren. Konkret richtete sich der Blick dabei auf die Meister des Greifens im Reich Poseidons: die Oktopusse. Die Schlüsselelemente ihrer Fähigkeiten bilden bekanntlich Saugnäpfe, die unter der Kontrolle eines raffinierten Muskel- und Nervensystems stehen. Nachdem der breite äußere Rand eines Saugnapfes den Kontakt mit einer Oberfläche hergestellt hat, werden dabei die Muskeln in dem schalenförmigen Bereich hinter dem Rand aktiviert. So können die Saugnäpfe für Unterdruck mit Haftkraft sorgen. „Interessant ist dabei, dass die Kraken ihre zahlreichen Saugnäpfe steuern, indem sie Informationen von verschiedenen Sensoren verarbeiten. Der Oktopus vereint also Adhäsionstechnik, Sensorik und Steuerung, um Unterwasserobjekte zu manipulieren“, so Bartlett.

Um das Vorbild in ein Handschuh-Konzept umzusetzen, designten die Forscher zunächst ein leistungsfähiges Saugnapf-System: Es handelt sich um nachgiebige Gummistiele, die mit weichen, über Pneumatik aktivierbaren Membranen versehen sind. Die Entwickler kamen damit der Tintenfisch-Version sehr nahe: Das Saugnapf-Konzept kann sich stabil an flachen sowie gewölbten Oberflächen befestigen. Nach der Entwicklung dieses Haftsystems widmeten sich die Wissenschaftler der Herausforderung, dem Handschuh Sensibilität zu verleihen. Dazu rüsteten sie ihn mit einer Reihe von sogenannte Mikro-LIDAR-Näherungssensoren aus. Diese optischen Sensoren können erfassen, wie nah ein Objekt ist.

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Künstliches Saugnapf- und Nervensystem

Die Saugnäpfe und das LIDAR wurden dann über einen Mikrocontroller miteinander verbunden, um die Objekterkennung mit der Aktivierung der Saugnäpfe zu verknüpfen und so das Nerven- und Muskelsystem eines Tintenfisches zu imitieren. Alle Elemente integrierten die Wissenschaftler dann in einen Neoprenhandschuh. An jeder Fingerspitze dieses „Octa-glove“ sitzt dabei jeweils ein Saugnapf samt Sensorik. „Man muss nur die Hand in Richtung eines Objekts bewegen und der Handschuh übernimmt dann automatisch die Arbeit des Greifens: Die Elektronik kann die Adhäsion schnell aktivieren und lösen. So lassen sich nasse oder unter Wasser befindliche Objekte greifen, ohne sie zu zerquetschen. Und das alles, ohne dass der Benutzer einen einzigen Knopf drücken muss“, erklärt Bartlett.

In einer Reihe von Tests konnten die Forscher diese Fähigkeit ihres Konzepts verdeutlichen: Mit dem Handschuh lassen sich Objekte mit vielen unterschiedlichen Merkmalen sanft anheben oder ergreifen. Dabei müssen sie nicht unbedingt umfasst werden: Kleinere Objekte lassen sich mit dem Saugnapf an nur einem Finger hochheben – für größere kommen dann mehr Einheiten zum Einsatz. „Diese Fähigkeiten ahmen die komplexen Manipulations-, Wahrnehmungs und Kontrollfähigkeiten von Kopffüßern nach“, resümiert Co-Autor Ravi Tutika von der Virginia Tech. Die Wissenschaftler betonen allerdings, dass weitere Entwicklungsarbeit nötig ist, um der hochkomplexen Leistungsfähigkeit der natürlichen Vorbilder immer näherzukommen. „Unser Ansatz ist sicherlich ein Schritt in die richtige Richtung, aber wir müssen noch viel über den Tintenfisch lernen, bevor wir die vollen Greiffähigkeiten der Natur erreichen können“, so Tutika.

Dennoch zeichnet sich den Wissenschaftlern zufolge nun schon interessantes Potenzial für die Technik ab: So könnte ein Oktopus-Handschuh „Handwerkern“ im Wasser zu mehr Fingerspitzengefühl verhelfen, um ihre Arbeit zu erleichtern und empfindliche Objekte oder Lebewesen bei der Handhabung zu schützen. Außerdem könnte es Anwendungsmöglichkeiten in der Robotik geben: Auch technische Systeme – etwa im Gesundheitswesen oder in der Fertigung – könnten nasse Objekte durch das Oktopus-Konzept besser in den Griff bekommen, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: Virginia Tech, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abq1905

Video © Virginia Tech

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