Robotik Quallenroboter befreit Weltmeere vom Müll

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Robotik-Experten des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) haben einen von Quallen inspirierten Unterwasserroboter entwickelt, mit dem man einst Abfälle vom Meeresgrund holen will.

Der nahezu geräuschlose Prototyp des quallenartigen Roboters kann Objekte berührungslos unter seinem Körper einfangen. Er bewegt sich dann dennoch störungsfrei in empfindlichen Umgebungen, wie zum Beispiel Korallenriffen. Der sogenannte Jellyfish-Bot gilt dabei als ein Hoffnungsträger, denn Schwärme dieser Roboter könnten eines Tages helfen, die Weltmeere von unseren Hinterlassenschaften zu säubern. Das hat auch seinen Grund, denn rund 70 Prozent des Mülls sinken auf den Meeresboden, wo der Roboter dann zupacken kann.

Denn die Erdoberfläche ist bekanntlich zum größten Teil mit Wasser bedeckt, das leider immer verschmutzter ist. Eine der Strategien zur Bekämpfung der „Müllberge“ in diesen oft sehr empfindlichen Ökosystemen – insbesondere in der Nähe von Korallenriffen – sei der Einsatz von Robotern. Doch Unterwasserroboter sind meist sperrig mit unbeweglichen Körpern, die nicht in der Lage sind, komplexe Umgebungen zu erkunden oder Proben zu nehmen, sagen die Forscher aus Stuttgart. Auch machten sie aufgrund ihrer Elektromotoren oder Hydraulikpumpen auch recht viel Lärm bei der Arbeit.

Auf der Suche nach einem geeigneteren Design haben sich die Wissenschaftler nun aber von der Natur inspirieren lassen. Sie konfigurierten einen einer typischen Qualle ähnlichen, vielseitigen, energieeffizienten und sehr leisen Roboter, der nur so groß ist wie eine menschliche Hand. Der Jellyfish-Bot ist übrigens in Zusammenarbeit zwischen den beiden Abteilungen für Physische Intelligenz und für Robotikmaterialien am MPI-IS. Die Forschungsarbeit „A Versatile Jellyfish like Robotic Platform for Effective Underwater Propulsion and Manipulation“ wurde erstmals in Science Advances veröffentlicht.

Der Entmüllungs-Roboter stört keine Meeresbewohner

Für den Bau des Roboters verwendete das Team elektrohydraulische Aktuatoren, durch die Strom fließt, wie man erfährt. Die Aktuatoren dienen quasi als künstliche Muskeln, die den Roboter antreiben. Um diese Muskeln herum befinden sich Luftkissen sowie weiche und starre Komponenten, die den Roboter stabilisieren und ihn wasserdicht machen. So komme die Hochspannung, die durch die Aktuatoren fließe, nicht mit dem umgebenden Wasser in Berührung. Der Strom fließt dabei in regelmäßigen Abständen durch dünne Drähte, wodurch sich die Muskeln zusammenziehen und ausdehnen. So kann der Quallenroboter anmutig schwimmen und Strudel unter seinem Körper erzeugen.

Wenn eine Qualle nach oben schwimmt, erklären die Max-Planck-Forscher weiter, kann sie Objekte auf ihrem Weg einfangen, weil sie Strömungen um ihren Körper herum erzeugt, was auch der Roboter kann. Auf diese Weise sammelt die Qualle auch Nährstoffe. Diese Funktion ist beim Roboter nun nützlich, um Objekte wie Abfallpartikel zu sammeln. Er kann den Abfall dann an die Oberfläche befördern, wo die Partikel später recycelt werden können. Er sei auch in der Lage, Proben wie zum Beispiel Fischeier zu nehmen. Dabei hat die Maschine auch lärmtechnisch keine negativen Auswirkungen auf Umgebung oder Meeresbewohner, er integriert sich sozusagen in das Geschehen um ihn herum.

Der Jellyfish-Bot ist außerdem in der Lage, Objekte berührungslos zu bewegen und einzufangen, wobei er entweder allein oder im Rahmen eines Roboterschwarms arbeiten kann. Der Roboter arbeite schneller als andere vergleichbare Systeme und erreiche eine Geschwindigkeit von knapp über 6 Zentimeter pro Sekunde. Außerdem benötigt Jellyfish-Bot nur eine geringe Leistung von etwa 100 Milliwatt, um agieren zu können.

So baut man einen Müll sammelnden Quallenroboter

Der Roboter besteht aus mehreren Schichten, heißt es weiter. Einige stabilisieren den Roboter, andere machen ihn schwimmfähig oder dichten ihn ab. Eine weitere Polymerschicht fungiert als Schwimmhaut. In der Mitte der verschiedenen Schichten sind die elektrisch betriebenen künstlichen Muskeln eingebettet – sogenannte Hasels. Das sind mit Pflanzenöl gefüllte Kunststoffbeutel, die teilweise von Elektroden bedeckt sind, lautet die Erklärung. Durch Anlegen von Hochspannung an eine Elektrode wird der Muskel positiv aufgeladen, während das umgebende Wasser negativ geladen ist. Dadurch entsteht eine Kraft zwischen der positiv geladenen Elektrode und dem negativ geladenen Wasser, die das Öl innerhalb des Beutels hin- und herschiebt, wodurch sich die Beutel zusammenziehen und entspannen, wie ein echter Muskel. Hasels könnten hohen elektrischen Spannungen standhalten, die von den geladenen Elektroden erzeugt würden. Sie sind außerdem durch eine Isolierschicht vor Wasser geschützt. Das ist wichtig, weil die künstlichen Muskeln bisher noch nie für den Bau eines Unterwasserroboters verwendet wurden.

Zunächst entwickelten die Forscher Jellyfish-Bot mit einer Elektrode und sechs Fingern oder Armen. Im zweiten Schritt teilte das Team die einzelne Elektrode in einzelne Gruppen auf, um sie unabhängig voneinander zu betätigen.

Objekte können aufgenommen werden, indem vier der Arme zum Schwimmen und die anderen beiden als Greifer eingesetzt werden. Man könne auch nur eine Teilmenge der Arme verwenden, um den Roboter in verschiedene Richtungen zu lenken. Es wurde auch untersucht, ob man eine Gruppe mehrerer Roboter betreiben kann. Zum Beispiel wurden zwei Roboter eingesetzt, um eine Corona-Schutzmaske aufheben zu lassen, was für einen einzelnen Roboter sehr schwierig ist, wie die Experten anmerken. Zwei Roboter könnten auch zusammenarbeiten, um schwere Lasten zu tragen. Aktuell jedoch brauche der Jellyfish-Bot ein Kabel, was den Einsatz im Ozean momentan noch entgegen stehe.

Jetzt heißt es noch „weg mit dem Kabel“

Eventuell gehören mit Kabeln angetriebene aber Roboter bald der Vergangenheit an, so die Hoffnung. Denn das erklärte Ziel ist es natürlich, kabellose Roboter zu entwickeln. Glücklicherweise haben die Forscher den ersten Schritt in Richtung dieses Ziels erreicht, wie betont wird. Man habe nämlich alle Funktionsmodule wie die Batterie und die drahtlosen Steuerungseinheiten eingebaut, um in Zukunft drahtlose Manipulationen zu ermöglichen. Das Team befestigte dazu eine Steuerungseinheit an der Oberseite des Roboters und eine Batterie sowie einen Mikrocontroller an der Unterseite. Anschließend schwamm Jellyfish-Bot im Teich des Max-Planck-Campus in Stuttgart. Die Forscher konnten ihn dabei erfolgreich geradeaus steuern. Bisher konnte das Team den kabellosen Roboter jedoch noch nicht dazu bringen, den Kurs zu ändern und in eine andere Richtung zu schwimmen. Doch auch daran wird gearbeitet.

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