Daniel Goldman sieht man an, dass er Spaß bei der Arbeit hat. Kein Wunder: Die Videofilme aus seinem Labor an der Georgia Tech University in Atlanta erinnern fast schon an Slapstick-Komödien. In einem tänzeln mit Minisendern bepackte Strandkrabben vorbei. In einem anderen sinkt eine Eidechse, die eben noch mühelos über eine Sandfläche flitzte, plötzlich wie in Zeitlupe bis zum Hals ein und robbt mühsam weiter. Terrestrische Biomechanik auf granularen Medien, so nennt sich Daniel Goldmans Spezialgebiet. Der Physiker untersucht, wie man auf weichem Untergrund am Besten vorwärts kommt.
"Natürlich fragt man sich erst mal: Wo ist das Problem? Aber es stellt sich heraus: Physiker und Ingenieure sind bis heute nicht in der Lage, körnige Materialien wie Sand, Kies oder Pulverschnee genau zu beschreiben. Es ist zum Beispiel gar nicht so einfach zu berechnen, wie tief ein Ball, der auf einen Sandhaufen fällt, einsinkt, bevor er zum Stillstand kommt. Bei so komplexen Dingen wie Eidechsenfüßen oder den Beinen eines Roboters tun wir uns noch viel schwerer, die Kräfte zu verstehen, die körnige Materialien auf sie ausüben. Deshalb können wir nicht vorhersagen, wie schnell eine Eidechse auf einer bestimmten Art von Sand vorwärts kommt."
Um neue Einblicke zu gewinnen, schickt Daniel Goldman in seinem Labor regelmäßig Strandkrabben und verschiedene Wüsteneidechsen auf eine meterlange Sandpiste. Das Besondere daran: Die Forscher können von unten Luft durch den Sand blasen und seine Festigkeit dadurch auf Knopfdruck verändern – von sehr stabil bis zur Konsistenz von Treibsand. Eine Hochgeschwindigkeitskamera filmt dann, wie die überraschten Teilnehmer der Sandkastenrallye mit den veränderten Rahmenbedingungen klar kommen.
"Tiere mit sehr langen Zehen kommen am Besten mit weicher werdendem Untergrund zurecht. Wenn der Boden nachgibt, werden alle Tiere langsamer, aber die mit langen Zehen verlieren weniger Tempo. Die Länge der Zehen ist offenbar wichtiger als die Fläche der Füße. Das hat uns überrascht. Schließlich würde man naiverweise denken, dass man mit riesigen Clownschuhen besonders gut auf weichem Sand voran kommt. Aber die flinken Tiere profitieren vor allem von ihren extrem langen Zehen."
Mit Hilfe von Röntgenaufnahmen, die erstmals auch die Bewegung der Tierfüße unter der Oberfläche sichtbar machen, will Daniel Goldman aufklären, welche Mechanismen dafür verantwortlich sind. Um ein Gefühl für die Größe der biomechanischen Kräfte zu bekommen, hat er Strandkrabben Minisender umgeschnallt, die in Echtzeit Daten von Messfühlern an den Beinen der flotten Tiere übermitteln. Doch das in Zukunft wohl wichtigste Versuchsobjekt ist der Sandbot: Ein zwei Kilo schwerer Roboter mit sechs sichelförmigen Beinen.
"Unser Ziel ist es, wirklich zu verstehen, wie eine kleine Eidechse oder Krabbe mit eineinhalb Metern pro Sekunde über weichen Sand flitzen kann. Weil Tiere ihren eigenen Kopf haben, verwenden wir den Sandbot als vereinfachtes physikalisches Modell. Seine Bewegungen sind sehr simpel und lassen sich genau kontrollieren. Die Experimente mit dem Roboter liefern uns Einblicke in die Tricks der Biologie und sie könnten helfen, Maschinen zu bauen, die sich ähnlich geschickt auf lockerem Grund bewegen."
Erste Erfolge gibt es schon. Nachdem Sandbot, der durch Drehung seiner Beine auf festem Boden Joggertempo erreicht, bei den ersten Versuchen im Sand überhaupt nicht vom Fleck kam, haben die Forscher die Synchronisation seiner Beine leicht modifiziert. Seitdem schafft Sandbot immerhin 30 Zentimeter pro Sekunde. Ein kleiner Schritt in Richtung von Daniel Goldmans Vision.
"Mein Traum wäre, dass es einmal Tausende solcher Sandroboter gibt, die mit jenen Tricks, die wir der Natur abgeschaut haben, die Oberfläche von Mond oder Mars oder anderen Planeten erkunden."
"Natürlich fragt man sich erst mal: Wo ist das Problem? Aber es stellt sich heraus: Physiker und Ingenieure sind bis heute nicht in der Lage, körnige Materialien wie Sand, Kies oder Pulverschnee genau zu beschreiben. Es ist zum Beispiel gar nicht so einfach zu berechnen, wie tief ein Ball, der auf einen Sandhaufen fällt, einsinkt, bevor er zum Stillstand kommt. Bei so komplexen Dingen wie Eidechsenfüßen oder den Beinen eines Roboters tun wir uns noch viel schwerer, die Kräfte zu verstehen, die körnige Materialien auf sie ausüben. Deshalb können wir nicht vorhersagen, wie schnell eine Eidechse auf einer bestimmten Art von Sand vorwärts kommt."
Um neue Einblicke zu gewinnen, schickt Daniel Goldman in seinem Labor regelmäßig Strandkrabben und verschiedene Wüsteneidechsen auf eine meterlange Sandpiste. Das Besondere daran: Die Forscher können von unten Luft durch den Sand blasen und seine Festigkeit dadurch auf Knopfdruck verändern – von sehr stabil bis zur Konsistenz von Treibsand. Eine Hochgeschwindigkeitskamera filmt dann, wie die überraschten Teilnehmer der Sandkastenrallye mit den veränderten Rahmenbedingungen klar kommen.
"Tiere mit sehr langen Zehen kommen am Besten mit weicher werdendem Untergrund zurecht. Wenn der Boden nachgibt, werden alle Tiere langsamer, aber die mit langen Zehen verlieren weniger Tempo. Die Länge der Zehen ist offenbar wichtiger als die Fläche der Füße. Das hat uns überrascht. Schließlich würde man naiverweise denken, dass man mit riesigen Clownschuhen besonders gut auf weichem Sand voran kommt. Aber die flinken Tiere profitieren vor allem von ihren extrem langen Zehen."
Mit Hilfe von Röntgenaufnahmen, die erstmals auch die Bewegung der Tierfüße unter der Oberfläche sichtbar machen, will Daniel Goldman aufklären, welche Mechanismen dafür verantwortlich sind. Um ein Gefühl für die Größe der biomechanischen Kräfte zu bekommen, hat er Strandkrabben Minisender umgeschnallt, die in Echtzeit Daten von Messfühlern an den Beinen der flotten Tiere übermitteln. Doch das in Zukunft wohl wichtigste Versuchsobjekt ist der Sandbot: Ein zwei Kilo schwerer Roboter mit sechs sichelförmigen Beinen.
"Unser Ziel ist es, wirklich zu verstehen, wie eine kleine Eidechse oder Krabbe mit eineinhalb Metern pro Sekunde über weichen Sand flitzen kann. Weil Tiere ihren eigenen Kopf haben, verwenden wir den Sandbot als vereinfachtes physikalisches Modell. Seine Bewegungen sind sehr simpel und lassen sich genau kontrollieren. Die Experimente mit dem Roboter liefern uns Einblicke in die Tricks der Biologie und sie könnten helfen, Maschinen zu bauen, die sich ähnlich geschickt auf lockerem Grund bewegen."
Erste Erfolge gibt es schon. Nachdem Sandbot, der durch Drehung seiner Beine auf festem Boden Joggertempo erreicht, bei den ersten Versuchen im Sand überhaupt nicht vom Fleck kam, haben die Forscher die Synchronisation seiner Beine leicht modifiziert. Seitdem schafft Sandbot immerhin 30 Zentimeter pro Sekunde. Ein kleiner Schritt in Richtung von Daniel Goldmans Vision.
"Mein Traum wäre, dass es einmal Tausende solcher Sandroboter gibt, die mit jenen Tricks, die wir der Natur abgeschaut haben, die Oberfläche von Mond oder Mars oder anderen Planeten erkunden."