Dass der Oktopus alles fangen kann, was uns im Wasser aus der Hand rutscht, ist bekannt. Um die Fähigkeiten der skurrilen Wassertiere auf den Menschen zu übertragen, haben Forscher einen von der Biologie inspirierten Handschuh entwickelt. Er ist mit Saugnäpfen ausgestattet, deren Haltekraft durch ein Sensorsystem automatisch gesteuert wird. Tests zeigen, dass nasse Gegenstände mit dem Octa-Handschuh sicher und schonend gegriffen werden können. Das Konzept habe zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, sagen die Entwickler.
Menschen sind terrestrische Lebewesen. Um in der Unterwasserwelt zurechtzukommen, müssen wir uns mit Technologie ausstatten: Tauchausrüstung lässt uns atmen, Neoprenanzüge halten uns warm und Taucherbrillen lassen uns sehen. Um eine weitere Schwäche unter Wasser auszugleichen, gibt es bislang jedoch kaum wirksame Lösungen: Unsere Hände tun sich meist schwer damit, nasse Gegenstände zu greifen. Doch diese Fähigkeit ist gefragt: Retter, Unterwasserarchäologen und viele andere „Wasserhandwerker“ müssen sich mit rutschigen Gegenständen oder Lebewesen auseinandersetzen. Um sie festzuhalten, muss der Spanndruck oft deutlich erhöht werden. Aber empfindliche Gegenstände oder Lebewesen können natürlich beschädigt werden.
Achtarmige Vorbilder sind zu sehen
Deshalb widmet sich das Forschungsteam unter der Leitung von Michael Bartlett von der Virginia Tech in Blacksburg nun der Entwicklung eines Konzepts, das es Menschen ermöglichen soll, sensibler im Wasser zu sein. Wie so oft in der Technik ließen sich Wissenschaftler von der Natur inspirieren. Konkret ging es um die Meister des Fangens in Poseidons Reich: die Oktopusse. Es ist bekannt, dass die Schlüsselelemente ihrer Fähigkeiten Saugnäpfe sind, die unter der Kontrolle eines komplexen Muskel- und Nervensystems stehen. Sobald der breite äußere Rand des Cups mit der Oberfläche in Kontakt kommt, aktiviert er die Muskeln im Bereich des Cups hinter dem Rand. Auf diese Weise können Saugnäpfe Unterdruck mit Haftkraft bereitstellen. „Interessant ist, dass Kraken ihre vielen Saugnäpfe steuern, indem sie Informationen von verschiedenen Sensoren verarbeiten. Der Oktopus kombiniert also Traktionstechnologie, Sensoren und Steuerungen, um Unterwasserobjekte zu manipulieren“, sagt Bartlett.
Um aus dem Modell ein Handschuhkonzept zu machen, konstruierten die Forscher zunächst ein leistungsstarkes Saugnapfsystem: Das sind flexible Gummigriffe, die mit weichen Membranen ausgestattet sind und pneumatisch aktiviert werden können. Der Oktopus-Variante kamen die Entwickler sehr nahe: Das Saugnapf-Konzept lässt sich an ebenen und gewölbten Oberflächen anbringen. Nach der Entwicklung dieses Haftsystems stellten sich die Wissenschaftler der Herausforderung, den Handschuh sensibel zu machen. Dazu statteten sie es mit einer Reihe sogenannter Mikro-LIDAR-Näherungssensoren aus. Diese optischen Sensoren können erkennen, wie nahe ein Objekt ist.
Künstlicher Saugnapf und Nervensystem
Die Saugnäpfe und LIDAR wurden dann über einen Mikrocontroller verbunden, um die Objekterkennung mit der Aktivierung der Saugnäpfe zu verknüpfen und das Nerven- und Muskelsystem von Tintenfischen nachzuahmen. Anschließend integrierten die Wissenschaftler alle Elemente in einen Neoprenhandschuh. An jedem Finger dieses „Octa-Handschuhs“ befindet sich ein Saugnapf mit Sensoren. „Sie bewegen Ihre Hand einfach in Richtung eines Gegenstandes und dann übernimmt der Handschuh automatisch die Greifarbeit: Die Elektronik kann schnell aktivieren und die Haftung lösen.“ Dadurch können Sie nasse oder untergetauchte Gegenstände greifen, ohne sie zu zerquetschen. Und das alles, ohne dass der Benutzer einen einzigen Knopf drücken muss“, erklärt Bartlett.
Diese Leistungsfähigkeit ihres Konzepts konnten die Forscher in einer Versuchsreihe unter Beweis stellen: Mit dem Handschuh lassen sich Gegenstände mit unterschiedlichsten Eigenschaften sanft anheben oder greifen. Sie müssen nicht gehalten werden: Kleinere Gegenstände lassen sich per Saugnapf mit nur einem Finger aufnehmen – für größere werden dann mehrere Einheiten verwendet. „Diese Fähigkeiten ahmen die komplexen Manipulations-, Wahrnehmungs- und Kontrollfähigkeiten von Kopffüßern nach“, sagt Co-Autor Ravi Tutika von Virginia Tech. Die Wissenschaftler betonen jedoch, dass weitere Entwicklungsarbeit notwendig ist, um der hochkomplexen Darstellung natürlicher Muster immer näher zu kommen. „Unser Ansatz ist sicherlich ein Schritt in die richtige Richtung, aber wir müssen noch viel über Tintenfische lernen, bevor wir die volle Fangfähigkeit der Natur erreichen können“, sagte Tutika.
Den Wissenschaftlern zufolge zeichnet sich jedoch bereits ein interessantes Potenzial für die Technologie ab: Ein Oktopus-Handschuh könnte „Handwerkern“ im Wasser zu mehr Sensibilität verhelfen, ihre Arbeit erleichtern und empfindliche Gegenstände oder Lebewesen bei der Arbeit schützen. Auch in der Robotik könnte es Anwendungsmöglichkeiten geben: Das Octopus-Konzept könnte den Wissenschaftlern zufolge auch technischen Systemen – beispielsweise im Gesundheitswesen oder in der Fertigung – dabei helfen, mit nassen Gegenständen besser umzugehen.
Quelle: Virginia Tech, Technischer Artikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abq1905
Video © Virginia Tech
© wissenschaft.de – Martin Wieg
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