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Gecko-Technik

Stabile Landung dank Schwanz

Gecko-Patent zur stabilen Landung: Analysiert und technisch umgesetzt. (Photos by Ardian Jusufi, illustration by Andre Wee)

Naturpatent mit Potenzial für die Robotik: Bionik-Forscher haben bei einer Gecko-Art eine erstaunliche Funktion des Schwanzes dokumentiert: Die Reptilien nutzen das Anhängsel wie ein fünftes Bein, um nach Gleitflug-Sprüngen trotz harter Landung nicht von Baustämmen abzuprallen. Um die Funktion zu verdeutlichen, haben die Wissenschaftler das Konzept auf einen Roboter übertragen und damit auch Möglichkeiten zur technischen Nutzung aufgezeigt.

Sie können mit ihren haftstarken Füßchen sogar an der Zimmerdecke laufen: Geckos sind für ihre akrobatischen Kletterfähigkeiten berühmt. Doch die kleinen Reptilien haben noch weitere Fähigkeiten, für die sich Forscher interessieren, die sich mit der Übertragung von Naturpatenten auf Robotersysteme beschäftigen. Dabei stehen seit eignen Jahren besonders die in Asien heimischen Saumschwanz-Hausgeckos (Hemidactylus platyurus) im Fokus. Ihre Fähigkeit über Wasseroberflächen zu rennen, ohne zu versinken, wurde bereits untersucht und auch für ihre Begabung, souverän im Gleitflug von Baum zu Baum zu springen, interessieren sich Forscher. Letzteres stand nun erneut im Visier des Teams um Ardian Jusufi vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart.

Wie die Wissenschaftler berichten, nutzen die Saumschwanz-Hausgeckos den Luftweg vor allem, um blitzartig Fressfeinden zu entkommen. Bei vielen dieser Rettungssprünge beschleunigt der Gecko immer noch bei der Landung – er knallt dadurch geradezu auf die vertikale Zielfläche. Überraschenderweise können die Tiere sich trotz des harten Aufpralls am Stamm festhalten, ohne abzustürzen. Diese Fähigkeit weckte das Interesse der Forscher und so untersuchten sie den Ablauf in einem Wildtierreservat in den Regenwäldern von Singapur mittels Hochgeschwindigkeitskameras.

Absturzsichernde Funktion des Schwanzes

Die Analysen der Aufnahmen zeigten: Oft treffen die Geckos mit einer Geschwindigkeit von über 21 Kilometern pro Stunde auf die vertikalen Oberflächen. Dabei federn sie den Aufprall ab, indem sie ihren Rumpf um bis zu 100 Grad nach hinten biegen. Dadurch verlieren die Vorderfüße zwar den Halt – doch es gelingt den Tieren, die Hinterbeine am Stamm zu halten. Es zeichnete sich ab, dass der Schwanz dies ermöglicht: Er fungiert wie in fünftes Bein und sorgt für eine Ableitung der Aufschlags-Energie mit stabilisierendem Effekt. Diese Erklärung untermauerten Beobachtungen, wonach Geckos, die ihren Schwanz im Lauf des Lebens verloren hatten, nach Sprüngen häufig abstürzten, berichten Jusufi und seinen Kollegen.

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Um die Funktion des Anhängsels allerdings genauer zu dokumentieren, begaben sich die Bioniker in die Laborwerkstatt: Sie bauten ein physikalisches Modell eines Geckos, um die Kräfte, denen das Tier ausgesetzt ist, besser zu verstehen. Ihr Gecko-Roboter verfügt neben Vorder- und Hinterfüßen mit Klettverschluss-Material über einen flexiblen Torso, an dem ein Schwanz angebracht und wieder abgenommen werden kann. Wenn die Vorderfüße auf eine vertikale Filz-Material-Oberfläche treffen, sorgte ein Steuerungssystem für eine Krümmungsbewegung – genau wie bei den natürlichen Vorbildern. Dabei wird zudem ein Motor aktiviert, der an einer künstlichen Sehne zieht und so den Schwanz gegen die vertikale Landeoberfläche drückt.

Potenzial für die Robotik

Die Forscher untersuchten die Leistungen des Gecko-Roboters mit verschieden langen Schwänzen durch Wurf-Versuche und erfassten dabei auch die Kräfte, die bei den Landungen auftraten. So zeigte sich: Der Effekt des Schwanzes verringert die Kraft entscheidend, die die Hinterfüße von der Oberfläche wegzieht. Je geringer sie ist, desto leichter ist es für den Roboter, sich festzuhalten. Ohne Schwanz oder bei verringerter Länge werden die Kräfte auf die Hinterfüße zu groß – der Roboter verliert den Halt, prallt ab und fällt, zeigten die Experimente.

Diese Ergebnisse bestätigten somit, dass der Schwanz für die stabile Landung der Geckos eine entschiedene Rolle spielt. „Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis von Schwänzen als multifunktionalen Anhängsel bei Tieren“, sagt Jusufi. Bisher ging man davon aus, dass sie bei Geckos vor allem dazu dienen, den Halt während des schnellen Laufens an Wänden zu stabilisieren. Nun zeigt sich, dass sie den Schwanz auch nutzen, um den Erfolg von Landungen bei ihren Sprüngen zu verbessern“, resümiert Jusufi.

Für die Bioniker steht neben der biologischen Bedeutung der Ergebnisse nun natürlich auch die technische im Fokus: Sie bilden eine Grundlage für die technische Nutzung des Gecko-Konzepts, wie der Erstautor Robert Siddall vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme abschließend hervorhebt: „Die Natur bietet viele unerwartete, elegante Lösungen für technische Probleme – dafür ist dieser Einsatz des Schwanzes ein wunderbares Beispiel. Die Landung aus dem Flug ist technisch schwierig und wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse zu neuen Lösungsansätzen für die Mobilität von Robotern führen werden“, so Siddall.

Quelle: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, University of California, Berkeley, Fachartikel: Communications Biology, doi: 10.1038/s42003-021-02378-6

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