(Youtube) Wissenschaftler haben einer Spinne beigebracht, auf Kommando zu springen, in der Hoffnung, dadurch eine neue Generation von Robotern nach dem Vorbild der Natur zu inspirieren.
Es gibt viele Spinnen, die springen können, und die königliche Springspinne ( Phidippus, der König ), das die Forscher in dieser speziellen Studie verwendeten, ist keine falsche Bezeichnung.
Die Technik der königlichen Springspinne ist tadellos, und wenn sie springt, um ihre Beute zu fangen, kann sie bis zu sechsmal so weit fliegen wie ihre Körperlänge. Das bedeutet, dass diese kleinen Kerle bei einer Länge von etwa 15 Millimetern mindestens 60 Millimeter weit springen können.
Im Vergleich dazu schafft es der Mensch kaum, die 1,5-fache Körperlänge zu springen.
Mit ihrer hervorragenden Sehkraft und ihrem präzisen Jagdstil war die königliche Springspinne der perfekte Rekrut für ein neues Forschungsprojekt zu Mikrosprungrobotern an der Universität Manchester.
Den weiblichen Spinnen das Springen beizubringen, war jedoch keine leichte Aufgabe, und nur eine der Spinnen kam wirklich auf die Idee einer Start- und Landeplattform. Ihr Name war Kim.
Die Forscher filmten Kims Sprünge mit Hightech-Kameras, um die Geheimnisse hinter ihren unglaublichen Sprüngen aufzudecken.
(Wissenschaftliche Berichte)
Die Aufnahmen zeigten, dass Kim über verschiedene Sprungtechniken verfügte. Aus nächster Nähe (ungefähr zwei Körperlängen) bevorzugt Kim aus Gründen der Geschwindigkeit und Genauigkeit eine schnellere, niedrigere Flugbahn. Bei längeren Sprüngen (ungefähr sechs Körperlängen) tendiert sie jedoch dazu, einen energieeffizienteren Sprung zu verwenden.
Während Kim den Winkel ihres Sprungs anpassen kann, um höher oder tiefer zu springen, stellten die Forscher fest, dass sie in der Studie zuversichtlicher war, tiefer zu springen.
„Sie wird im optimalen Winkel springen, was bedeutet, dass sie die Herausforderung verstehen kann, vor die sie gestellt wird“, sagt Mikrosystemingenieur Mostafa Nabawy erzählte Helen Briggs von der BBC .
„Und dann kann sie ihre Sprungleistung beim Abheben so timen, dass sie einen Sprung ausführt, der hinsichtlich des Energiebedarfs optimal ist.“
Den Forschern fiel auch auf, dass Kim vor dem Start eine „Seidensicherheitsleine“ an der Plattform befestigte, die der Spinne beim Springen eine Möglichkeit bieten könnte, stabil zu bleiben.
Nach der Durchführung von 3D-CT-Scans konnten die Forscher ein Modell für die Körper- und Beinstruktur der Spinne erstellen.
Durch die Analyse der Videos in Kombination mit den Modellen konnten die Forscher die Kräfte, die dem Sprung der Spinne zugrunde liegen, besser verstehen.
Während Biologen wissen, dass Spinnen hydraulischen Druck aus der Flüssigkeit in ihren Beinen nutzen, um ihre Gliedmaßen zu strecken, ist es immer noch umstritten, ob Spinnen hydraulischen Druck auch nutzen können, um die Muskelkraft zu steigern oder sogar zu ersetzen.
Bei dieser speziellen Art reichte den Forschern jedoch allein die Muskelkraft der Spinne für den Sprung aus.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kim zwar ihre Beine hydraulisch bewegen kann, sie jedoch nicht die zusätzliche Kraft der Hydraulik benötigt, um ihre außergewöhnliche Sprungleistung zu erreichen.“ sagt einer aus dem Team, der Aerodynamikforscher Bill Crowther .
„Daher bleibt die Rolle der hydraulischen Bewegung bei Spinnen eine offene Frage.“
Dennoch ging es bei dieser Studie nicht nur um ein tieferes Verständnis der Anatomie der königlichen Springspinne. Es hat auch wichtige Auswirkungen auf den Bau winziger springender Roboter.
Wenn Forscher auf die mysteriöse Natur der Springspinnen zurückgreifen können, könnte dies dazu beitragen, einige der Einschränkungen zu lösen, die viele Roboter derzeit fest am Boden festhalten.
Nabawy ist Luftfahrtingenieur und interessiert sich besonders für die Entwicklung neuartiger Flug- und Sprungroboter. Kims Sprung bietet einige Hinweise darauf, wie dieser Traum Wirklichkeit werden kann.
„Die Kraft, die beim Abheben auf die Beine einwirkt, kann bis zum Fünffachen des Gewichts der Spinne betragen – das ist erstaunlich, und wenn wir diese Biomechanik verstehen, können wir sie auf andere Forschungsbereiche anwenden.“ sagt Nabawy .
„Spinnen müssen alles planen, sie müssen genaue und präzise Sprünge ausführen, um ihr Ziel [Beute] so schnell wie möglich und so genau wie möglich zu erreichen.“
Nachdem der Spinnenteil der Studie abgeschlossen war, bauten die Forscher einen einfachen Sprungmechanismus, der ungefähr die gleiche Größe wie die Spinne hatte. Doch obwohl die technischen Baumaterialien stimmten, scheiterte das Projekt letztlich.
Der Maßstab, mit dem die Forscher arbeiten wollten, war einfach zu klein. Sie stellten fest, dass „Leistungs- und Steuerungselektronik in diesem Maßstab noch nicht mit der Natur konkurrieren kann“.
Die Forscher planen immer noch, aus all diesen neuen Informationen einen funktionsfähigen Roboter zu entwickeln, aber um dies zu erreichen, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, beispielsweise untersucht werden, wie genau springende Spinnen ihre Sprünge steuern.
Im Moment hat die Technik nichts mit der Natur zu tun.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte .