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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Spinnenfortbewegung als Vorbild für autonome Laufroboter

Kurzdarstellung des Projektes

Bereits seit geraumer Zeit dienen Insekten, Spinnen und Krebse als Vorbild für mehrbeinige technische Laufsysteme unterschiedlichsten Zuschnitts. Ihnen ist jeweils gemeinsam, dass sie während der Fortbewegung aufgrund ihrer Mehrbeinigkeit ein hohes Maß an statischer Stabilität erreichen. Vor allem im unebenen Terrain stellt diese Standsicherheit bei der Überwindung von Hindernissen einen bedeutenden Vorteil dar.




Bild 1: Analyse der Fuß-Aufsatzpunkte in Abhängigkeit von der Neigungsgrad der Lauffläche (-20° bis + 20°). Die Geometrie für die ruhenden Laufbeine L4-R3-L2-R1 (Fallviereck) der Spinne Cupiennius salei zum Zeitpunkt des Auffußens von Laufbein L4 ist rot gezeichnet, die Geometrie für die aktiven R4-L3-R2-L1 blau und der Massenschwerpunkt des Tieres grün (Rick 2009).

Für viele Spinnenarten gilt neben der Achtbeinigkeit zudem, dass sie am Tarsus (Fuß) neben einem markanten Krallenapparat über zusätzliche Haftstrukturen verfügen. Diese ermöglichen ihnen in Ruhestellung die Anhaftung an Substrate unterschiedlichster Beschaffenheit. Bei der Fortbewegung unterstützen sie die Tiere sowohl auf stark geneigtem Terrain wie auf glattem Untergrund.

Innerhalb dieses Projekts werden vergleichende kinematische Untersuchungen an Spinnenspezies mit und ohne tarsalen Haftstrukturen durchgeführt. Geklärt werden soll der Einfluss dieser Strukturen auf die Fortbewegung in Abhängigkeit des Neigungswinkels und der Beschaffenheit des Substrats.

Hierzu werden unterschiedliche Kennzahlen (u.a. Laufgeschwindigkeit, Schrittlänge, Schrittfrequenz, Schrittmuster, Kontaktzeit) analysiert. Mittels Highspeedvideoanalyse werden hierzu u.a. die Laufbewegungen der Spinnenarten Tegenaria atrica und Cupiennius salei in einem neigbaren Laufkanal untersucht (s. Bild 1). Während C. salei über feinste Hafthaare an der Unterseite des Beines verfügt, ist T. atrica lediglich im Besitz von 2 Haftkrallen, die im Bodenkontakt eingesetzt werden können.

Erste Resultate zeigen, dass verschiedene Strategien eine adäquate Adaption des Lokomotionsmusters an Beschaffenheit und Orientierung des Substrats ermöglichen. Während in T. atrica in Abhängigkeit von der Neigung des Untergrunds eine Änderung der Laufgeschwindigkeit durch Anpassung der Schrittfrequenz erreicht wird, kompensiert C. salei veränderte Hangabtriebskräfte lediglich durch Adaption des Auffussmusters bei gleichbleibender Frequenz.

Projektziele

Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen liefern ein hohes Potenzial für die Entwicklung von biologisch inspirierten Laufmaschinen, sowohl seitens der Hardware als auch insbesondere seitens der Software.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Andrew Martin, Florian Hoffmann, Andreas Rick

Veröffentlichungen

  • Rick, A. T.: 2009: Spider locomotion on inclinations: a kinematic study of two arachnid species as a basis for a biomimetic walking machine. Bachelor-Thesis an der Hochschule Bremen, FR Bionik (unpubl.)

Informationen zu ...

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