Die Zähne putzen, einen Kaffee zubereiten, eine Tür aufschließen: Für viele Bewegungen ist das Gehirn die zentrale Steuerinstanz. So gelangt man leicht zum Schluss, dass ohne Hirn gar nichts läuft. Doch das ist falsch. Wenn der Arzt mit einem kleinen Hammer auf unser Knie klopft, schnellt der Unterschenkel nach vorn. Und wenn wir mit der Hand versehentlich eine heiße Herdplatte berühren, ziehen wir sie reflexartig zurück. Für solche Bewegungen ist nicht das Gehirn zuständig, sondern ein anderer Teil des zentralen Nervensystems, nämlich das Rückenmark. Ein etwas makabrer Beweis, dass sich ein Lebewesen auch ohne Gehirn bewegen kann, ist ein geköpftes Huhn. Es flattert noch einige Sekunden umher, nachdem ihm der Kopf abgeschlagen worden ist.
Rückenmark übernimmt
Hauptkontrolle über Bewegungen
Doch wie funktionieren die motorischen Schaltkreise im Rückenmark? Welche Kontrollmechanismen liegen Bewegungen von Wirbeltieren zugrunde? Diesen und vielen weiteren Fragen geht das 17-köpfige Team von Auke Ijspeert an der Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) nach. Die Forscher haben einen eher außergewöhnlichen Ansatz für ihre Untersuchungen gewählt: Sie bauen Roboter. Entsprechend heißt ihre Wirkungsstätte Biorobotics Laboratory, kurz Biorob. „Wir nutzen Roboter als wissenschaftliches Werkzeug, um die Fortbewegung von Lebewesen besser zu verstehen“, erklärt Auke Ijspeert. Hier geht es also nicht darum, Roboter zu bauen, die möglichst spektakulär aussehen oder eigenständig arbeiten können. „Mit unseren Robotern wollen wir einen Beitrag leisten an die Forschung in den Bereichen der Neurowissenschaften und Biomechanik.“ Auch die Evolutionsbiologie profitiere davon. „Bei vielen Tieren übernimmt das Rückenmark die Hauptkontrolle über die Bewegungen, das finde ich sehr faszinierend.“
Maxon-Motoren treiben Pleurobot an
Für Aufsehen sorgten Auke Ijspeert und sein Team mit dem Pleurobot. Was auf den ersten Blick aussieht wie eine Art paläontologischer Skelett-Bausatz, ist in Wahrheit eine raffinierte Nachbildung des Bewegungsapparats eines Salamanders. Wer zusieht, wie sich der von 27 Motoren angetriebene Pleurobot im Wasser und an Land bewegt, dem bleibt nur noch das Staunen. Die Ähnlichkeit zu den natürlichen Bewegungen eines Salamanders ist frappierend. Das Biorob-Team hat keinen Aufwand gescheut, um den Pleurobot mit möglichst großer Ähnlichkeit zu einem Salamander zu konstruieren: Mittels dreidimensionaler Röntgenvideos analysierten sie jedes einzelne Glied eines sich bewegenden Salamanders. Es folgten akribische Berechnungen von Mechanik und Motorik.
Gehirn steuert nicht allein
Nicht zufällig stehen Amphibien im Fokus der biomechanischen Forschung. Interessant ist ihr Bewegungsapparat, weil er einen graduellen Übergang der Fortbewegung an Land und im Wasser zulässt. Bereits in früheren Jahren hatten Neurobiologen nachgewiesen, dass ein Salamander mittels Stimulation des Rückenmarks quasi „ferngesteuert“ werden kann. Eine schwache elektrische Stimulation lässt den Salamander gehen; erhöht man die Stimulation, führt der Salamander nach einem bestimmten Schwellenwert die typischen Schwimmbewegungen aus. Letztlich bedeutet dies, dass das Gehirn eines Salamanders nicht die alleinige Kontrolle über den Bewegungsapparat hat. Vielmehr bilden Rückenmark und Gliedmaßen ein fast autonomes Steuerungs- und Bewegungssystem. „Das Gehirn dient lediglich als stimulierende Instanz“, so Ijspeert. Auch der Pleurobot funktioniert nach diesem System: Um von der Laufbewegung zur Schwimmbewegung zu gelangen, wird letztendlich einfach der Strom erhöht. „Wenn wir den Pleurobot fernsteuern, müssen wir nicht jeden einzelnen Motor kontrollieren. Wir bestimmen – ähnlich wie das Hirn eines Salamanders – lediglich Richtung, Tempo und Intensität des Stimulus.“ Die Funktion des Rückenmarks übernimmt beim Pleurobot ein Mikrocontroller, auf dem – vereinfacht erklärt – mathematische Modelle von neuronalen Netzen im Rückenmark eines Salamanders einprogrammiert sind.
Verbindung von Biologie und Robotik
Und wozu der ganze Aufwand? „Das Interesse liegt auf einem fundamentalen Verständnis, wie das Nervensystem in Wirbelsäulen funktioniert“, erklärt Ijspeert. Dies sei ein sehr komplexes Gebiet und noch lange nicht ausschöpfend erforscht. Gerade weil das Rückenmark gut geschützt im Wirbelkanal der Wirbelsäule liege, seien hier Messungen der neuronalen Aktivität sehr schwierig, gar schwieriger als im Gehirn. „Man kann nicht einfach Elektroden ins Rückenmark eines sich bewegenden Tieres stecken und dann messen, was da vor sich geht.“ Er möge diese Verbindung von Biologie und Robotik auch deshalb besonders, weil andere Wissenschaftszweige davon profitieren. Ein grundlegendes Verständnis von Bewegung helfe beispielsweise bei der Herstellung von Neuroprothesen. Erkenntnisse im Bereich der neuronalen Systeme und des Rückenmarks fließen in die Erforschung von neuen Therapien bei Querschnittslähmung ein.
Bau eines Inspektionsroboters umgesetzt
Darüber hinaus hat das EPFL-Team mit dem Envirobot – einem schlangenartigen schwimmenden Roboter – bereits auch die Entwicklung und den Bau eines sogenannten Inspektionsroboters umgesetzt. Er kommt beispielsweise zum Einsatz, um Gewässerverschmutzungen zu registrieren und messen. Das Team um Auke Ijspeert forscht längst nicht nur an Amphibienrobotern. Auch der katzenartige Roboter namens Serval oder humanoide Roboter gehören zum Inventar des Labors. Für viele Projekte – so auch für den Pleurobot – nutzt das Biorobotics Laboratory DC-Motoren von Maxon. Besonders in der Robotik kommen die modularen Dynamixel-Aktuatoren der Firma Robotis zum Einsatz. In diesen Modulen sind hauptsächlich Motoren der Schweizer verbaut, also die bewährten bürstenbehafteten Motoren mit eisenloser Wicklung. „Wir mögen Maxon Motor sehr“, so das Kompliment von Ijspeert an den Schweizer Antriebsspezialisten. jg
Details zum Thema Kollaborative Roboter:
hier.pro/lUtKt
Messe Automatica: Halle B6, Stand 300
Info
Herr der Roboter
Auke Ijspeert ist Professor an der Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) und dort Leiter des Biorobotics Laboratory (BioRob). Er studierte Physik und doktorierte an der Universität Edinburgh im Bereich Künstliche Intelligenz. Seine Forschungsinteressen liegen an der Schnittstelle zwischen Robotik, informationsverarbeitenden Eigenschaften des Nervensystems, nicht-linearen dynamischen Systemen und maschinellem Lernen.
„Wir nutzen Roboter als wissenschaftliches Werkzeug, um die Fortbewegung von Lebewesen besser zu verstehen.“
