Wissenschaft: Roboterbeine laufen wie ein Mensch

Roboterbeine: einfaches Laufmuster, ohne laufen zu können (Bild: IOP/Screenshot: Golem.de)

US-Forscher haben ein Roboterbeinpaar gebaut, das über ein System aus Muskeln und Nerven verfügt - wie beim Menschen. Es bilde den menschlichen Gang bisher am besten nach.

Gehen ist für den Menschen relativ einfach. Wer es gelernt hat, hält sich - von Ausnahmen einmal abgesehen - den Rest seines Lebens recht gut auf den eigenen Beinen. Robotern den menschlichen Gang beizubringen, ist schon schwieriger - manch einer bricht sich dabei auch mal ein Bein. Wissenschaftler in den USA haben ein paar Roboterbeine entwickelt, bei denen das nicht passieren soll.

Das robotische Beinpaar ist nach Angaben der Forscher um Theresa Klein das erste, das den menschlichen Gang biologisch akkurat nachbildet. Der Bewegungsapparat der Beine sei nach dem Prinzip der menschlichen Muskulatur konstruiert, beschreiben sie in der Fachzeitschrift Journal of Neural Engineering: Bänder übernehmen die Aufgabe der verschiedenen Muskeln. Lastsensoren in den Bändern bilden die Golgi-Sehnenorgane, die Spannung in den Muskeln kontrollieren.

Mustergenerator

Klein und ihre Kollegen haben aber nicht nur das System der Muskeln nachgebaut, sondern auch das Nervensystem, das diese steuert. Eine Schlüsselfunktion übernimmt dabei der Central Pattern Generator (CPG, zentraler Mustergenerator), eine Ansammlung von Nerven im unteren Rücken. Dieser CPG erzeugt rhythmische Signale, die die Muskelbewegungen beim Gehen steuern, und erhält aus den Körperteilen Rückmeldungen über die Umweltgegebenheiten.

Die Wissenschaftler von der Universität des US-Bundesstaates Arizona in Tucson haben diesen Mechanismus in der einfachsten Form nachgebaut, als Halbzentrum: Das besteht aus zwei Nervenzellen, die abwechselnd Signale aussenden. Hinzu kommen weitere Sensoren, die das Halbzentrum mit Daten versorgen, darunter solche, die die Kraft messen, mit der ein Bein auf den Untergrund drückt.

Anfangs einfache Laufmuster

Sie hätten einen menschlichen Gang nur mit einem Halbzentrum, das die Hüften gesteuert hat, und einem Reflexsystem, das die unteren Beinregionen kontrolliert, erzeugt, sagt Klein. Der Roboter habe keine Hilfe gebraucht, um die Balance zu halten und habe auf Veränderungen reagieren können. Die Forscher vermuten, dass Kleinkinder auf diese Weise gehen lernen: Sie verfügen zunächst über ein Halbzentrum und bildeten später komplexere Laufmuster aus. Anlass zu dieser Vermutung geben Beobachtungen, dass Kleinkinder, obwohl sie noch nicht laufen können, im Laufgestell bereits diese einfachen Laufmuster gezeigt haben.

Die Forscher wollen nun anhand dieses Beinpaares erforschen, wie Patienten mit einer Rückenmarksverletzung durch gezielte Stimulationen in den Monaten danach die Fähigkeit zu laufen wiedererlangen könnten.