Cecilia Laschis Labor lag an der Küste im italienischen Livorno. Im Jahr 2007 bat die Robotik-Forscherin ihren Vater, einen Tintenfisch zu fangen und ihr lebendig zu übergeben. Der Freizeitfischer verstand nicht ganz warum und dachte, ein leicht zu fangender Tintenfisch müsste doch ein ziemlich dummes Tier sein – was wollte seine Tochter denn mit so einem schlabberigen Kopffüßer, wo sie doch eigentlich mit Metallteilen und Mikroprozessoren zu arbeiten gewohnt war.

Aber er fing ihr trotzdem einen vor der toskanischen Küste und brachte ihn in ihr Labor, das zur Scuola Superiore Sant'Anna im italienischen Pisa gehörte. Sie und ihre Studenten legten das Tier in einen Salzwassertank und beobachteten dort, wie es sich Leckerbissen von Anchovis bis Krabben schnappte. Anschließend fingen sie an, Roboter zu bauen, die genau diese Bewegungen nachahmten. Prototyp um Prototyp stellten sie immer bessere künstliche Tentakel her, die mit Federn und Drähten einem Tintenfischmuskel nachempfunden waren: Schlussendlich bewegten sich diese wie natürliche Tentakel; sie konnten schrumpfen, sich strecken, sich versteifen und verdrehen. "Das ist eine völlig neue Art von Roboterbau", schwärmt Laschi.

So entstand in den letzten zehn Jahren ein wichtiger Forschungszweig innerhalb der Robotik. Wissenschaftler und Ingenieure haben lange Zeit an Robotern mit steifen Körpern gearbeitet, oft inspiriert von Menschen und anderen Tieren mit festem Skelett. Diese Maschinen haben den Vorteil, dass sie sich mathematisch vorhersehbar bewegen, mit festen Gliedmaßen, die sich nur an den Gelenken beugen und wieder strecken können. Sie müssen allerdings sorgfältig programmiert werden und benötigen umfangreiche Rückmeldung aus der Umwelt, um nicht mit anderen Gegenständen zusammenzustoßen. Doch selbst dann sind ihre Bewegungen oft unkontrolliert, und es kann gefährlich werden, wenn sie es mit Menschen, unbekannten Objekten, unebenem Terrain oder anderen nicht vorhersehbaren Situationen zu tun bekommen.

Roboter, die von flexiblen Tierarten wie Tintenfischen, Raupen oder Fischen inspiriert sind, scheinen die Lösung zu sein. Ohne viel Rechenleistung (die oftmals auch fehlerbehaftet ist) passen diese weichen Roboter aus sehr biegsamen und elastischen Materialien ihre Form der Umgebung an. Obwohl einige Typen Drähte oder Federn zum Nachahmen von Muskeln und Sehnen besitzen, haben alle weichen Roboter das typische Skelett der früheren Robotergenerationen abgelegt. Ohne knochen- oder gelenkähnliche Strukturen können sich die Softies auf völlig neue Weise strecken, verdrehen, zusammenziehen und verformen. Sie können ihre Form und Größe verändern, sich um Objekte herumwickeln und sogar Menschen viel sicherer als bisherige Roboter berühren.

Die Konstruktion solcher Maschinen erfordert nicht nur die Entwicklung neuer Technologien, welche die schlaffen Materialien zu sinnvollen Bewegungen antreiben, sondern auch ganz neue Methoden zur Überwachung und Berechnung ihrer Aktionen. Wenn das erreicht ist, könnten die neuen Roboter sehr vielseitig eingesetzt werden, zum Beispiel als Rettungshilfen, die sich in kleinste Räume quetschen oder über rutschendes Geröll bewegen, in der häuslichen Krankenpflege, wo sie eng mit Menschen zusammenarbeiten könnten, oder als industrielle Maschinen, die neue Objekte ohne spezielle Programmierung zu greifen vermögen.

Forscher haben bereits eine große Auswahl solcher Maschinen gebaut, etwa krabbelnde Roboterraupen (PDF), schwimmende Fischbots (eine Art Fischroboter) und sich wellenförmig bewegende, künstliche Quallen. Am 29. und 30. April werden zehn Teams bei einem internationalen Wettbewerb weicher Roboter in Livorno gegeneinander antreten, dem ersten seiner Art. Laschi, die als wissenschaftliche Koordinatorin für das von der Europäischen Kommission geförderte Forschungskonsortium RoboSoft arbeitet, hofft auf innovative Impulse durch diese Veranstaltung. "Wenn man sich in der Biologie umschaut und die Entwicklungen in Darwins Evolution anschaut, dann entdeckt man unglaublich verschiedene Arten der Bewegung: Tasten, Greifen, Füttern, Jagen, Schwimmen, Laufen und Gleiten. All das können steife Roboter nicht", erklärt der Chemiker George Whitesides, der auf dem Gebiet der Soft Robotik an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, arbeitet. "Die Idee einer völlig neuen Art von Maschinen ist unglaublich spannend."

Herkömmliche Roboter sind völlig unflexibel

Herkömmliche industrielle Roboter auf der ganzen Welt basieren alle auf ein und demselben Entwurf. Die metallenen Maschinen nutzen kräftige, steife Gliedmaßen, um die Routinearbeit an Auto-Montagebändern und Industrieanlagen schnell, kraftvoll und mit stumpfsinniger Eintönigkeit durchzuführen – Menschen könnten da gar nicht mithalten. Diese Standardroboter benötigen aber spezielle Programmierungen, genau kontrollierte Bedingungen und kontinuierliche Rückmeldungen ihrer eigenen Bewegungen, um genau zu wissen, wann und wie jedes ihrer vielen Gelenke bewegt werden muss. Bei Aufgaben außerhalb ihrer Programmparameter können sie deshalb komplett versagen, und in unübersichtlicher Umgebung funktionieren sie völlig falsch, weshalb die meisten Exemplare zum Schutz ihrer menschlichen Kollegen hinter Absperrungen stehen.

"Überlegen Sie sich einmal, wie schwierig das Binden einer Schleife ist", sagt die Leiterin Daniela Rus des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. "Und solche Fähigkeiten bräuchten wir auch bei Robotern." Im Lauf des letzten Jahrzehnts stiegen Interesse und Bedarf an immer leichteren, billigeren Geräten, die knifflige und nicht kalkulierbare Situationen meistern und unmittelbar mit dem Menschen zusammenarbeiten können. Einige Robotiker, wie Laschi auch, hoffen hier auf weiches Material und biologisch inspiriertes Design zur Lösung des Problems.

"Die Idee einer völlig neuen Art von Maschinen ist unglaublich spannend"
George Whitesides

Die Idee ließ sich zu Beginn nur schwer verkaufen. "Anfangs wurden meine Abstracts bei den klassischen Robotik-Konferenzen gar nicht angenommen. Inzwischen gibt es ganze Sitzungen zu unserem Thema", erzählt Laschi. Neueste Fortschritte in der Polymerwissenschaft, besonders die Entwicklung von Techniken zum Gießen, Formen oder 3-D-Drucken der Polymere in maßgefertigten Formen, steigern nicht nur das Interesse, sondern lassen auch die Robotikforscher besser und schneller an ihren weichen Formen experimentieren.

Die Forscherszene für weiche Roboter wächst

Mehr als 30 Institutionen haben sich nun schon der 2013 gegründeten RoboSoft Collaboration angeschlossen. Im Jahr 2014 wurde die Zeitschrift "Soft Robotics" auf den Markt gebracht und eine Open-Access-Plattform unter dem Namen Soft Robotics Toolkit eingeführt. Die von Wissenschaftlern des Trinity College in Dublin und von Harvard entwickelte Website erlaubt es Forschern wie Laien, Tipps zu geben und Designs und Informationen herunterzuladen.

"Aber ich glaube, wir sind uns alle noch nicht so richtig einig darüber, wie ein weicher Roboter eigentlich aussehen sollte und welche Kerntechnologien wir nutzen wollen", erklärt die Maschinenbauingenieurin Rebecca Kramer von der Purdue University in West Lafayette in Indiana. Die vielleicht fundamentalste Herausforderung ist es erst einmal, weiche Strukturen dazu zu bringen, sich zu verdrehen, zusammenzuziehen und zu dehnen. Laschis Robotertentakel beherbergen in ihrem Inneren ein Netzwerk von dünnen Metalldrähten und Federn, die aus Memorymetallen bestehen. Diese Formgedächtnis-Legierungen sind biegsame Metalle, die beim Erhitzen in ihre Ausgangsform zurückkehren. Werden sie längs an einen Arm angelegt, simulieren einige dieser Komponenten die Längsmuskulatur eines Tintenfisches und verkürzen oder verbiegen die Tentakel bei ihrer Kontraktion. Andere gehen radial von der Mitte des Tentakels aus und simulieren die quergestreifte Muskulatur, die den Durchmesser des Arms verkleinern kann. Der Tentakel vermag zu winken oder sich sogar um eine menschliche Hand zu wickeln, wenn externe Motoren an bestimmten Kombinationen von Drähten ziehen oder Federn mit elektrischem Strom erhitzt werden.

Ein ähnliches System bewegt die Soft-Robotik-Raupe des Neurobiologen Barry Trimmer, der sie dem Lieblingsorganismus seiner Experimente, dem Tagschwärmer (Manduca sexta), nachempfunden hat. In seinem Labor an der Tufts University in Medford in Massachusetts werden jeden Tag 20  solcher Schwärmer geboren und eine Hand voll Roboter in 3-D gedruckt. Die mechanischen Tiere schlängeln sich – ganz so wie die echten – über den Labortisch und können sogar die typische Fluchtbewegung der Raupe kopieren. Dabei wickelt sich der Roboter durch Ziehen der internen 'Muskeln' zu einem Kreis, der wegrollen kann. Trimmer ist Chefredakteur bei "Soft Robotics" und hofft, dass sich der Roboter wegen seiner großen Bandbreite an Bewegungen eines Tages als Notfallhilfe einsetzen lässt. So könnte er sich vielleicht schnell über Trümmerfelder bewegen oder durch Geröll graben, um bei Katastrophen nach Überlebenden zu suchen.

Whitesides leistet in der Zwischenzeit Pionierarbeit bei Robotern, die mit Luft bewegt werden – darunter eine Familie von polymerbasierten Geräten, die den Seesternen nachempfunden sind. Jede der Gliedmaßen besteht aus einem internen Netzwerk von Taschen und Kanälen, die zwischen zwei Materialien mit unterschiedlicher Elastizität eingebettet sind. Wird Luft in die verschiedenen Teile des Roboters gepumpt, blähen sich die Arme, Beine oder Finger asymmetrisch auf und rollen sich ein. Whitesides' Team hat auch ein Gerät gebaut, welches den Song "Mary had a little lamb" auf dem Klavier spielen kann, und eine der vierbeinigen Schöpfungen des Teams hat sogar einen Hindernisparcours bewältigt. Der Roboter bewegte sich dabei in Richtung einer Trennwand mit zwei Zentimeter Abstand vom Boden, ließ sich kurz vor der Wand fallen und schob sich darunter hindurch. Damit zeigten sich die unglaublichen Fähigkeiten von weichen Robotern auf schwierigem Terrain.

Weiche Roboter können Objekte umgreifen und sich anpassen

Auch wenn die meisten weichen Roboter doch im Labor verbleiben werden, suchen sich so manche von Whitesides' Entwicklungen gerade den Weg in die Industrie, um dort die Nachfrage nach geschickten Roboterhänden zu befriedigen. Herkömmliche Greifer benötigen genaueste Informationen über Standort, Form, Gewicht und Griffigkeit des Objekts, um jedes ihrer Gelenke richtig bewegen zu können. Das eine System ist dann darauf spezialisiert, mit Shampooflaschen zu hantieren, während ein anderes nur Kinderspielzeug anheben kann und ein drittes benötigt wird, um T-Shirts zu greifen. Doch während die Hersteller ihre Produktlinien aktualisieren und der Internethandel immer mehr Waren anbietet, müssen die Firmen individuelle Greifer und ständig neue Kontrollalgorithmen für jeden einzelnen Verwendungszweck entwickeln, was häufig mit großem Kostenaufwand und ebensolcher Verzögerung verbunden ist.

"Unser Greifer legt einfach los, nimmt ein Objekt und drückt so lange zu, bis der Griff sicher und fest ist"
Carl Vause

Bestehen die Greifer aber hauptsächlich aus weichem und dehnbarem Material, können sie Objekte umgreifen und sich verschiedenen Formen und Größen anpassen. Das Start-up-Unternehmen Soft Robotics aus Cambridge in Massachusetts wurde aus Whitesides' Forschung heraus im Jahr 2013 gegründet und erhält nun ungefähr 4,5 Millionen US- Dollar, um eine Produktlinie von gummiartigen Robotergreifern zu entwickeln. "Wir arbeiten weder mit Kraftsensoren noch mit Rückmeldungssystemen, und wir planen auch nicht viel voraus. Unser Greifer legt einfach los, nimmt ein Objekt und drückt so lange zu, bis der Griff sicher und fest ist", erklärt Geschäftsführer Carl Vause.

Die Greifer bestehen vollständig aus elastischen Polymeren, und wenn Luft durch die inneren Kanäle gepumpt wird, rollen sie sich zusammen. Während bei steifen Roboterhänden die Fingerbewegungen genauestens berechnet werden müssen, ermöglicht die Flexibilität der neuen Greifer, dass sich diese um die Oberfläche eines Objektes herumlegen, bis sie einen festen Halt haben, ohne dabei Schaden anzurichten. Der Greifer kann sogar Pilze und reife Erdbeeren aufheben sowie Tomaten vom Strauch pflücken – alles Tätigkeiten, die sonst den vorsichtigen Griff eines menschlichen Arbeiters erfordern. Soft Robotics gab seinen ersten Greifer im Juni 2015 zum Verkauf frei. Inzwischen laufen schon Pilotprogramme mit sechs Kundenfirmen im Bereich Lebensmittelverpackung und -verarbeitung.

Empire Robotics im benachbarten Boston hat einen völlig anderen Ansatz gewählt. Die Firma vermarktet eine Roboterhand, die einem zusammengedrückten Antistressball ähnelt. Sandähnliche Partikel befinden sich zunächst frei liegend im Ball, der sich dadurch verformen kann, sobald er ein Objekt fest umschließt. Dann saugt ein Ventil die Luft aus dem Ball, so dass die Körner stark gegeneinandergedrückt werden und der Ball seinen Griff festigt. Durch Anwendung der Forschung von Heinrich Jaeger von der University of Chicago in Illinois und Hod Lipson von der Cornell University in Ithaca in New York kann der so genannte Versaball verschiedene Objekte in etwa einer zehntel Sekunde ergreifen und bis zu neun Kilogramm Gewicht anheben.

Gefühl für den Raum

Während roboterartige Tintenfische, Raupen, Seesterne und andere formbare Maschinen zum Leben erweckt werden, suchen einige Wissenschaftler nach noch besseren Möglichkeiten, die Bewegungen der Geräte zu kontrollieren. "Wir sprechen hier von beweglichen, elastischen Materialien. Wenn sich ein Gerät auf der einen Seite bewegt, kann man in dem Moment nie ganz sicher sein, wo der Rest der Maschine landet", erklärt Kramer. Deshalb werden viele Anwendungen wahrscheinlich noch zusätzliche Sensoren zur Bewegungsüberwachung brauchen. Konventionelle Positions- und Kraftsensoren wie unbewegliche oder halbbewegliche elektronische Komponenten funktionieren aber in den neuen weichen Robotern nicht immer, da sie extremen Formänderungen unterliegen.

Ingenieure wie Yong-Lae Park arbeiten seit einiger Zeit an diesem Problem und entwickeln gerade dehnbare elektronische Sensoren. An der Carnegie Mellon University in Pittsburgh in Pennsylvania forscht Park an Gummimatten, die einen zwischen Silikongummilagen eingebetteten Flüssigmetall-Stromkreis besitzen. In verschiedene Formen einschließlich Spiralen und Streifen gegossen, lassen sich diese flüssigen Stromkreise individuell herstellen und sind in der Lage zu registrieren, ob ein Gerät zusammengedrückt oder gedehnt wird und in welche Richtung.

"Dehnbare Sensoren können so empfindlich wie unsere Haut sein, wenn sie entsprechend gestaltet werden. Man kann sie so justieren, dass sie auf das leichte Streicheln eines Fingers oder aber auf ein Gewicht von 15 Kilogramm reagieren", erklärt der Maschinenbauingenieur Robert Shepherd von der Cornell University. Er hat Methoden entwickelt, um mit Hilfe von 3-D-Druckern dehnungssensible Roboterhaut direkt auf weiche Roboter aufzutragen. Dabei produzieren alternierende Lagen von leitendem und isolierendem Material beim Anstoßen oder Ziehen ein elektrisches Signal.

"Dehnbare Sensoren können so empfindlich wie unsere Haut sein, wenn sie entsprechend gestaltet werden"
Robert Shepherd

Dehnbare Sensoren könnten auch eine wichtige Rolle im wachsenden Feld tragbarer Roboter spielen. Finanziert vom US-Militär verbrachte Conor Walsh von der Harvard University Jahre damit, einen weichen "Exoanzug" für Soldaten zu entwickeln und zu verbessern. Eine komfortablere Variante des früheren Exoskeletts vom Typ Iron Man sollte den Kämpfern helfen, schwere Lasten über lange Strecken zu tragen. Die Benutzer spüren zwar immer noch, wie das Gerät ihre Bewegungen unterstützt, aber das Laufen mit ihnen fühlt sich "ziemlich normal" an, erklärt Walsh. Das ist eine große Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Exoskeletten. Statt klotziger, fester Verschalungen nutzt Walshs Anzug Riemen aus Nylon, Polyester und Elastan, die ganz praktisch entlang der Beine platziert sind. Ein paar einzelne Positions- und Verstärkungssensoren, vorläufig noch in Form herkömmlicher unbeweglicher Bauteile, sollen den Gang des Trägers überwachen und zum passenden Zeitpunkt Hilfestellung geben. Im nächsten Schritt will Walsh dann dehnbare Sensoren für ein weicheres und komfortableres Gefühl einbauen.

In der Zwischenzeit hat Kramer ein Robotik-Gewebe entwickelt, das sich mit Hilfe elektrischen Stroms bewegen kann. Der mullähnliche Stoff hat eingenähte Memorymetall-Spulen und kann durch Stimulation um bis zu 60 Prozent seiner Länge zusammengezogen werden. So genannte intelligente Fäden überwachen die Bewegungen des Stoffs. Kramer webt dehnungsempfindliche Silikonfäden ein, die mit flüssigem Metall gefüllt sind. Das Konzept könnte eines Tages bei Ärmeln oder Manschetten angewendet werden, um verletzte oder ältere Menschen bei der Mobilisation zu unterstützen. Kramer hofft außerdem, dass dieses Material eines Tages zum Roboterbau im Weltraum eingesetzt werden könnte, wo Astronauten beispielsweise eine aktive Haut um ein Stück Schaumstoff legen könnten, um es so in einen funktionierenden Roboter zu verwandeln.

Roboterbau im Weltraum?

Doch bevor die Softies ins Weltall fliegen können, müssen zunächst die Grundlagen auf der Erde geschaffen werden. So ist zum Beispiel relativ wenig darüber bekannt, wie sich die schlaffen Materialien durch externe Kräfte verformen und wie sich Bewegungen durch weiche Körper fortpflanzen. Außerdem sind die meisten weichen Roboter an feste Energiequellen wie Batterien oder Drucklufttanks gebunden, weshalb auch Einsatzmöglichkeiten biochemischer und erneuerbarer Energiequellen Gegenstand der Forschung sind.

Der RoboSoft-Wettbewerb Ende April 2016 könnte dazu beitragen, die Entwicklung schneller voranzutreiben. Die Teilnehmer müssen verschiedene Prüfungen absolvieren: ein Rennen über eine Sandgrube, das Öffnen einer Tür mit ihrer Klinke, das Greifen einer Anzahl unbekannter Objekte und das Umgehen zerbrechlicher Hindernisse unter Wasser. Ziel ist es zu demonstrieren, dass weiche Roboter nicht nur Aufgaben von steifen Robotern ausführen können, sondern auch solche bewältigen, zu denen feste Roboter nicht in der Lage sind.

"Weiche Roboter werden die traditionellen nicht ersetzen. Die Zukunft wird eine Kombination aus beiden sein", meint Laschi. Viele Forscher sind noch der Meinung, dass feste Roboter ihre Überlegenheit bei jenen Arbeiten behalten werden, die große Stärke, Schnelligkeit oder Präzision erfordern. Doch bei immer mehr Anwendungen, besonders im engen Zusammenspiel mit dem Menschen und bei anderen unkalkulierbaren Situationen, könnten weiche Roboter eine Nische finden. Laschis Mitarbeiter am King's College London entwickeln beispielsweise ein auf der Tentakeltechnologie basierendes chirurgisches Endoskop. Und ihr Team in Italien arbeitet an einem Ganzkörperroboter in Tintenfischform, der ein Flüssigkeitstriebwerk hat und eines Tages für Unterwasserforschung und -erkundigungen eingesetzt werden könnte. Der Prototyp pulsiert bereits leise durch einen Tank in ihrem Labor, während der echte Tintenfisch in salzigem Wasser gleich nebenan schwimmt.

Als sie mit dem Tintenfisch-Projekt anfing, wurde Laschi oft gefragt, wofür das eigentlich gut sein sollte. Sie antwortete dann immer: "Keine Ahnung, aber wenn es klappt, gibt es dafür bestimmt viele, sehr viele Anwendungsmöglichkeiten."