Bei neuen technischen Entwicklungen lässt sich die Wissenschaft gerne von Natur und Tierwelt inspirieren – etwa von Eidechsen, die über Wüstensand flitzen. Nun haben Daniel Goldman und Kollegen vom Georgia Institute of Technology untersucht, wie Objekte sich über körnige Oberflächen wie Sand oder Schotter bewegen. Die Forscher konstruierten daraufhin einen sechsbeinigen Roboter, der schnell über granulare Untergründe gehen kann.

Zuerst entwickelten sie ein Modell zur Berechnung der Schub- und Zugkräfte, die auf die Roboterbeine wirken. Die Kräfteverteilung hängt davon ab, wie die Extremität in das gekörnte Material eintaucht und austritt. Eine wichtige Erkenntnis war nach Goldman, dass die Kräfte, die auf einzelne Teile der Glieder unterschiedlich wirken, zur resultierenden Kraft summiert werden können – eine Methode namens Superposition.

Zudem verwendeten die Wissenschaftler eine Computersimulation, um die optimale Schrittfrequenz und Form für die Robotergliedmaßen zu identifizieren. Mit einem 3-D-Drucker erzeugten sie Beine verschiedener Gestalt und testeten auch experimentell, wie diese Unterschiede die Geschwindigkeit des Roboters bei der Fortbewegung über eine Bahn aus Mohnsamen beeinflusste. Die Simulation und das Experiment zeigten übereinstimmend, dass c-förmige Gliedmaßen am besten zur schnellen Fortbewegung über granularen Untergrund geeignet sind. "Wenn die Beine konvex geformt sind, erzeugt der Roboter große Hubkraft und kleinen Körperwiderstand und kann deswegen schnell rennen", erklärt Goldman. "Wenn die Schenkelform dagegen flach oder konkav ist, verschlechtert sich seine Effizienz."

In Anlehnung an Aero- und Hydrodynamik bezeichnen die Wissenschaftler die Forschung zu körnigen Oberflächen als "Terradynamik". Die von ihnen entwickelten Gleichungen könnten Ingenieure und Designer befähigen, die Bewegung durch Materialien besser zu verstehen, die Extremitäten bei Druck umfließen. "Um eine Sekunde Roboterbewegung über ein körniges Bett von Mohnsamen zu berechnen, benötigen herkömmliche Simulationen einen Monat. Unter Verwendung unserer Methode dauert das nur zehn Sekunden", erläutert Zhang, ein Doktorand in Goldmans Labor.

Der sechsbeinige Roboter war nur 13 Zentimeter lang und wog ungefähr 150 Gramm. Roboter dieser Größe könnten zukünftig in Such- und Rettungsaktionen eingesetzt werden oder unbekannte Gebiete wie Planetenoberflächen erkunden.