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Mechanik: So läuft man ohne Energieverlust - theoretisch

Walker
Die Komikertruppe Monty Python sucht im legendären "Ministry of Silly Walks" nach den ausgefallensten Gangarten; zwei US-amerikanische Forscher suchen mit physikalischen Methoden nach dem energieeffizientesten. Das Ergebnis sieht in beiden Fällen erstaunlich ähnlich aus: Mit ihrem vor- und zurückschwingenden Oberkörper und dem raumgreifenden Pendeln der Beine bewegt sich die Laufmaschine der beiden kurz gesagt reichlich albern.

© Cornell University Human Power Lab, Mario W. Gomes
Energieeffiziente Gangart
Die als besonders energiesparend berechnete Fortbewegungsart wirkt eigentümlich, könnte aber den Bau effizienter Roboter voranbringen.
Dennoch könnte ihr theoretisches Modell zur Entwicklung besserer Roboter oder Prothesen beitragen und das Kräftespiel bei der Fortbewegung verstehen helfen, meinen Andy Ruina und Mario Gomes. Denn ihr "Walker" hat die Eigenschaft, beim Laufen keinerlei Energie an den Boden zu verlieren. Einmal in Gang gesetzt, würde er für immer und ewig weiterlaufen.

Dieses Kunststück gelingt, weil die Beine exakt im Moment des Aufsetzens komplett in Ruhe sind, vergleichbar einem Pendel am Umkehrpunkt. Dadurch würde die Kollision mit dem Boden entfallen, erläutert Ruina, der an der Cornell University in Ithaca forscht. Normalerweise wird durch den Aufprall Energie abgegeben, beispielsweise weil Wärme erzeugt wird, die Muskeln den Schock abfangen müssen und selbst der Trittschall dem System Energie entzieht. All diese Verlustfaktoren konnten die Wissenschaftler durch die geschickte Wahl des Aufsetzzeitpunkts auf null reduzieren.

Dabei machten Ruina und sein Kollege Gomes vom Rochester Institute of Technology allerdings einige entscheidende Zusatzannahmen: So müsste der – ohnehin nur zweidimensional berechnete – Läufer mangels Kniegelenk mit dem Fuß durch den Boden schwingen können. Entscheidender aber noch ist, dass im Modell der Forscher an den beiden federunterstützten "Hüftgelenken" keine Reibungsverluste auftreten. Beides macht Hoffnungen auf einen funktionierenden Nachbau in der Praxis allerdings zunichte.

Als Inspirationsquelle könne er dennoch dienen, meint Gomes. Auf der Onlineseite von "Nature" erklärte der Forscher, wie er sich eine Laufmaschine nach ähnlichem Prinzip vorstelle: Ein randloses Rad würde dabei seine Drehgeschwindigkeit mit Hilfe eines oszillierenden Gewichts in der Nabe so anpassen, dass die Speichen nur dann den Boden berühren, wenn ihre Geschwindigkeit null ist. "Es streichelt sanft den Boden, und keine Energie wird übertragen", so Gomes. (jd)
4. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 4. KW 2011

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