Wie eine Roboter-Qualle die Meere retten soll

Die Erdoberfläche ist zum größten Teil von Meeren bedeckt, die leider stark verschmutzt sind. Eine Strategie zur Bekämpfung der Müllberge in diesen empfindlichen Ökosystemen - insbesondere in der Nähe von Korallenriffen - ist der Einsatz von Robotern. Unterwasserroboter sind jedoch in der Regel sperrig mit unbeweglichen Körpern, die nicht in der Lage sind, komplexe Umgebungen zu erkunden oder Proben zu entnehmen. Außerdem sind sie aufgrund von Elektromotoren oder Hydraulikpumpen relativ laut. Auf der Suche nach einem geeigneteren Design haben sich Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart von der Natur inspirieren lassen. Sie konstruierten einen quallenähnlichen Roboter, der vielseitig einsetzbar, energieeffizient und nahezu geräuschlos ist.

Um den Roboter zu bauen, verwendete das Team elektrohydraulische Aktuatoren, durch die Strom fließt. Die Aktuatoren fungieren als künstliche Muskeln, die den Roboter antreiben. Um diese Muskeln herum befinden sich Luftkissen sowie weiche und harte Komponenten, die den Roboter stabilisieren und wasserdicht machen. So kommt die Hochspannung, die durch die Aktuatoren fließt, nicht mit dem umgebenden Wasser in Berührung. Der Strom fließt in regelmäßigen Abständen durch dünne Drähte und bewirkt, dass sich die Muskeln zusammenziehen und ausdehnen. Dadurch kann der Roboter anmutig schwimmen und Wirbel unter seinem Körper erzeugen.

„Wenn eine Qualle nach oben schwimmt, kann sie Gegenstände auf ihrem Weg fangen, indem sie Strömungen um ihren Körper erzeugt. So sammelt sie auch Nährstoffe. Auch unser Roboter lässt Wasser um sich herum zirkulieren. Diese Funktion ist nützlich, um Objekte wie Müllpartikel einzusammeln, erklärt Tianlu Wang. Er ist Postdoc in der Abteilung Physische Intelligenz am MPI-IS und Erstautor der Veröffentlichung. So lässt sich der Müll an die Oberfläche befördern, wo die Partikel später recycelt werden. Der Bot kann auch Proben wie Fischeier sammeln. Die Maschine hat keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt oder die Meeresbewohner und ist fast geräuschlos. Der Roboter arbeitet dabei sogar schneller als andere vergleichbare Erfindungen und erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 6,1 cm/s. Außerdem benötigt Jellyfish-Bot nur eine geringe Leistung von etwa 100 mW.

Neben dieser berührungslosen Müllsammlung kann der Jellyfish-Bot auch größere Objekte aus dem Wasser entfernen. Zunächst entwickelten die Forscher den Roboter mit sechs Armen, die von einer einzelnen Elektrode bewegt wurden. Im zweiten Schritt teilte das Team die Elektrode in Gruppen auf, um die Arme unabhängig voneinander zu betätigen.

„Wir konnten Objekte greifen, indem wir vier der Arme zum Schwimmen und die anderen beiden als Greifer einsetzten. Oder wir betätigten nur eine Teilmenge der Arme, um den Roboter in verschiedene Richtungen zu lenken. Wir haben auch untersucht, wie wir eine Gruppe mehrerer Roboter betreiben können. Zum Beispiel haben wir zwei Roboter eine Corona-Schutzmaske aufheben lassen, was für einen einzelnen Roboter sehr schwierig ist. Zwei Roboter können auch zusammenarbeiten, um schwere Lasten zu tragen", so Hyeong-Joon Joo.

Aktuell braucht der Jellyfish-Bot noch ein Kabel zur Stromversorgung. Aber das könnte bald Vergangenheit sein: „Unser Ziel ist es, kabellose Roboter zu entwickeln. Glücklicherweise haben wir den ersten Schritt in Richtung dieses Ziels erreicht. Wir haben alle Funktionsmodule wie die Batterie und die drahtlosen Steuerungseinheiten eingebaut, um in Zukunft drahtlose Manipulationen zu ermöglichen“, so Tianlu Wang. Das Team befestigte eine Steuerungseinheit an der Oberseite des Roboters und eine Batterie und einen Mikrocontroller an der Unterseite. Anschließend schwamm Jellyfish-Bot im Teich des Max-Planck-Campus Stuttgart. Die Forscher konnten ihn erfolgreich geradeaus steuern. Bislang konnte das Team den kabellosen Roboter jedoch nicht dazu bringen, den Kurs zu ändern und in eine andere Richtung zu schwimmen.