Robotervorbild Natur: Wie sich die Schwertmuschel rekordschnell durch den Sand gräbt

Durch rhythmisches Bewegen ihrer Schale machen sich Tier wie auch Roboter ihren eigenen Treibsand
Links das Original, rechts der Nachbau: RoboClam.
Links das Original, rechts der Nachbau: RoboClam.
© Donna Coveney
Cambridge (USA) - Wenn sich Schwertmuscheln in den Sand graben, legen sie ein erstaunliches Tempo vor: Mit bis zu einem Zentimeter pro Sekunde rutschen die messerförmigen Muscheln energiesparend durch den Meeresboden. Ihren Trick haben nun US-Ingenieure entschlüsselt – das Tier pumpt sich durch selbstgeschaffenen Treibsand. Die mechanischen Details berichten die Forscher im Fachjournal „Bioinspiration and Biomimetics“ und beschreiben ihren Muschelroboter „RoboClam“, der sich nach demselben Prinzip sehr effizient voran arbeitet. Das richtige Tempo für den aktuellen Untergrund wählt er dabei per Selbstlern-Algorithmus. Mögliche Anwendungen sieht das Team im Verankern von Bojen und Kabeln im Meeresboden, aber auch im Entschärfen alter Seeminen.

„Die Muschel bewegt ihre Schalen so, dass sich der Boden um ihren Körper herum verflüssigt und damit die Reibung verringert wird“, erklärt Amos Winter, Professor für Maschinenbau an Massachusetts Institute of Technology (MIT). „So benötigt sie wesentlich weniger Kraft, um ihre Schale durch den Boden zu ziehen.“ Der reinen Physik nach dürfte eine Schwertmuschel, genauer die Amerikanische Scheidenmuschel (Ensis directus), maximal einige Zentimeter tief in den Sand eintauchen können – in der Realität aber schafft sie Tiefen von 70 Zentimeter. Zugleich kann sie mit einem Energieaufwand, der dem Inhalt einer Mignonbatterie (AA) entspricht, bis zu einem halben Kilometer Weges im Sand zurücklegen.

Winters Team hatte zunächst die Bewegungen der bis 15 Zentimeter langen Muschel im Sand genauer unter die Lupe genommen. Es zeigte sich, dass die Muschel sich quasi durch selbst geschaffenen Treibsand pumpt. Zunächst zieht sie ihre beiden Schalenhälften ruckartig an den Körper, so dass rund um sie herum ein kleines Leervolumen entsteht. Dorthinein rutscht der nasse Meeresboden nach, Sand und Wasser verwirbeln rundherum und verhalten sich wie Treibsand. In diesem Moment schiebt die Schwertmuschel ihren muskulösen Fuß nach vorne und zieht sich so reibungsarm voran, bevor sie ihre Schalen rechtzeitig wieder auseinanderdrückt und der Sandboden sich restabilisiert.

„Entscheidend ist das Timing“, berichten die Forscher: Würden die beiden Schalenhälften zu langsam auseinander gedrückt, so könnten die Sandkörner nachrutschen, ohne zum Treibsand zu verwirbeln. Liefe die Bewegung aber zu schnell ab, dann blieben die Körner an ihrem Platz, weil das nachrutschende Wasser an ihnen vorbeifließen würde. Offenbar kann die Schwertmuschel das nötige Tempo exakt und flexibel steuern – denn je nach Körnern unterscheidet sich auch das Fließverhalten nassen Sandes. Auf jeden Fall rutscht das Tier deutlich schneller in den Boden als bisherige technische Grabapparate, von vibrierenden Bohrstangen bis zu Propellervortrieb. Während die benötigte Energie normalerweise stark zunimmt, mit dem Quadrat der erreichten Tiefe, so steigt sie bei der Treibsandmethode nur linear, berichtet Winter: „Diese örtliche Verflüssigung bietet eine mechanisch simple und rein kinematische Methode, die Energiekosten des Grabens dramatisch zu senken“.

Das Ergebnis ist „RoboClam“: Der Graberoboter in Taschenmessergröße besteht ebenfalls aus zwei Schalenhälften, die sich zusammen- und auseinanderdrücken lassen. Ein Pumpmechanismus verleiht ihm die Bewegungsmöglichkeiten seines natürlichen Vorbilds. Das richtige Timing beim Pumpen lernte RoboClam mithilfe eines Genetischen Algorithmus', der wie in der Evolution die optimale Lösung durch schrittweise Annäherung finden hilft.

Als die Forscher ihren aktuellen Prototyp im Sandboden unter Salzwasser testeten, sorgte ein Luftdrucksystem für das Öffnen und Schließen der Schalenhälften. Inzwischen arbeitet das Team aber bereits an einer elektronischen Variante, um den Roboter auch ferngesteuert nutzen zu können. So könnte er etwa kleine U-Boote verankern helfen, die sich am Fluss- oder Meeresboden ohne großen Energieaufwand stabil in einer Strömung halten sollen, sagt Winter. RoboClam könne aber auch beim Verlegen von Unterwasserkabeln helfen oder bei der Ölförderung. Er könnte sich aber auch zu vergrabenen Seeminen vorarbeiten und sie gezielt freilegen oder zur Explosion bringen.

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