Die italienische Biorobotikerin Barbara Mazzolai hat einen ungewöhnlichen Karriereweg eingeschlagen: von der Biologie zur Robotik, von der Meeresforschung zu Pflanzenrobotern. Heute gilt sie als Pionierin eines völlig neuen Forschungsbereichs, der nicht nur die Robotik revolutionieren, sondern auch deren Verhältnis zur Umwelt fundamental verändern könnte. Als stellvertretende Direktorin für Robotik am Italienischen Institut für Technologie in Genua entwickelt sie Maschinen, die von Oktopussen, Pflanzenwurzeln und sogar Samen inspiriert sind – mit einer klaren Vision: Robotik muss nachhaltig werden.

Von der Toskana ins Labor

Mazzolais Faszination für die lebendige Welt begann in ihrer Kindheit an der toskanischen Küste nahe Livorno. Ihr Vater, ein Gesundheitsinspektor und professioneller Mykologe, nahm die Familie regelmäßig mit in die Wälder, um Pilze und Pflanzen zu studieren. Diese frühen Erfahrungen prägten ihren wissenschaftlichen Werdegang nachhaltig.

Nach einem Biologiestudium an der Universität Pisa mit Schwerpunkt Meeresbiologie führte sie eine unerwartete Wendung in die Robotik. 1995 begann sie am Institut für Biophysik des italienischen nationalen Forschungsrats, wo sie die Kreisläufe von Schwermetallen wie Quecksilber in Umwelt und lebenden Organismen untersuchte. Doch als 1999 eine Stelle ausgeschrieben wurde, bei der Biologen beim Design neuer Geräte für Umweltüberwachung helfen sollten, ergriff sie die Chance.

Unter der Leitung des renommierten Biorobotikers Paolo Dario entwickelte sie zunächst Sensoren, später komplette Roboter zur Überwachung von Luft, Wasser und Boden. Bereits 2004, noch vor ihrer Promotion, wurde sie zur Assistenzprofessorin befördert und wagte ihren ersten Vorstoß in die bioninspirierte Robotik: einen weichen Roboter nach dem Vorbild des Oktopus.

Der Oktopus als Paradigmenwechsel

Das Oktopus-Projekt markierte einen entscheidenden Wendepunkt. “Wir schlugen ihn als Paradigma vor, um diese Idee der Soft Robotics zu lancieren: zu zeigen, dass Roboter weich sein können, aber gleichzeitig starke Kräfte auf die Umgebung ausüben können, wie es das Tier tut”, erklärt Mazzolai. Der Ansatz war damals revolutionär und half, das heute florierende Feld der Soft Robotics zu etablieren.

Während viele Roboter mit Sensoren für die Wahrnehmung ausgestattet sind – etwa taktile oder propriozeptive Sensoren – konzentrieren sich diese Systeme hauptsächlich darauf, die Position des Roboters in seiner Umgebung zu verstehen. Mazzolai wollte mehr: Roboter, die ihre Umwelt wirklich verstehen, mit physikalischen und chemischen Sensoren ausgestattet.

Dieses Interesse führte sie 2007 zu einem Doktorat in Mikrosystemtechnik an der Universität Rom Tor Vergata, das sie parallel zu ihrer Professur absolvierte. Sie setzte zunehmend auf Mikrofabrikationstechniken für die Sensorentwicklung – ein Bereich, den sie maßgeblich voranbringen wollte.

Pflanzen als verkannte Vorbilder

Nach ihrer Promotion 2011 und der Beförderung zur Direktorin des Center for Micro-BioRobotics richtete Mazzolai ihren Blick auf eine oft übersehene Inspirationsquelle: Pflanzen. Während die meisten bionischen Roboter Tiere nachahmen, erkannte sie das enorme Potenzial pflanzlicher Organismen.

Besonders faszinierte sie die Fähigkeit von Wurzeln, unterirdische Umgebungen effizient zu erkunden. Sie stellte sich Maschinen mit derselben Geschicklichkeit vor, die Anwendungen in der Umweltmodellierung und Präzisionslandwirtschaft finden könnten. Als sie die Idee erstmals vorschlug, stieß sie auf Skepsis – Roboter basierend auf scheinbar statischen Organismen?

Doch in Wirklichkeit, so Mazzolai, bewegen sich Pflanzen ununterbrochen durch einen Prozess namens indeterminiertes Wachstum. “Sie wachsen wirklich ihr ganzes Leben lang. Sie passen ihre Morphologie, ihr Verhalten an die äußere Umgebung an; sie reparieren sich, sie nehmen wahr, sie kommunizieren.”

Das Prinzip der wachsenden Roboter

Die Nachahmung eines Systems, das nach völlig anderen Prinzipien als die konventionelle Robotik funktioniert, erforderte fundamentales Umdenken. Mazzolai beschreibt den Prozess als das Führen von “zwei separaten Gehirnen” – einem eines Biologen und einem eines Ingenieurs.

Der Ansatz beinhaltet tiefgrehendes Studium des Zielorganismus, um die zugrunde liegenden Prinzipien seiner Funktionsweise zu verstehen, bevor versucht wird, einen Roboter zu entwickeln, der diese nachahmen kann. “Es ist keine Kopie natürlicher Organismen”, betont Mazzolai, denn lebende Organismen sind schwer zu replizieren und verfolgen andere Ziele.

Bei Pflanzenwurzeln liegt der Schlüssel zu ihrer Effizienz beim Durchdringen des Bodens darin, dass sie die Reibung reduzieren, indem sie nur an der sehr feinen Spitze wachsen, während die dickere Basis statisch bleibt. Dies reduziert den Energieaufwand im Vergleich zu einem konventionellen Bohrer erheblich.

Um dieses Prinzip in einem Roboter umzusetzen, entwickelte ihr Team einen miniaturisierten 3D-Drucker, der an der Spitze der Maschine sitzt und thermoplastisches Filament durch eine beheizte Düse führt, um einen schlangenartigen Körper zu bilden. Dies ermöglicht es dem Roboter, sich effizient durch den Boden zu bewegen. Die Spitze enthält zudem Sensoren, die Hindernisse umgehen und nahegelegene Nährstoffe oder Wasser erkennen können.

Sustainability Robotics: Die Rückzahlung an die Natur

Nach Jahren des “Ausleihens” von der Natur möchte Mazzolai nun etwas zurückgeben. Viele moderne Technologien – von Kunststoffen bis zu Autobatterien – wurden entwickelt, ohne an ihre Auswirkungen am Ende ihres Lebenszyklus zu denken. Sie will sicherstellen, dass die Robotik nicht denselben Weg einschlägt.

Im Juli veröffentlichte sie zusammen mit Kollegen ein Manifest in der Zeitschrift Nature Machine Intelligence, das eine Vision für einen neuen Ansatz im Roboterdesign skizziert. Dieser soll die Beziehung zwischen Natur, Menschheit und Technologie verbessern. “Wir müssen den Fußabdruck unserer Technologie reduzieren”, sagt sie. “Es geht wirklich darum, auf eine andere Weise zu denken, um neue Möglichkeiten für die Robotik und die Gesellschaft zu eröffnen.”

Der neue Forschungsbereich, den sie “Sustainability Robotics” nennt, ruht auf drei Säulen: Roboter sollen minimale Auswirkungen auf die Umwelt haben; sie sollen Menschen auf der ganzen Welt und aus allen sozioökonomischen Schichten zugänglich sein; und sie sollen “symbiotisch” sein, also sowohl Menschen als auch der Natur Vorteile bringen.

Konkret möchte Mazzolai das Konzept eines Lebenszyklus in das Design von Robotern integrieren, sodass diese am Ende ihrer Nutzungsdauer wiederverwendet, recycelt oder sogar biologisch abgebaut werden können. Dies mag ambitioniert klingen, doch sie ist überzeugt, dass alle Zutaten für die Umsetzung bereits vorhanden sind.

Die Vision der nächsten Generation

Mazzolai sieht besonders bei jungen Forschern großes Interesse an diesem Ansatz. “Es gibt jüngere Leute, die wirklich in diesem Bereich arbeiten wollen, weil das die Zukunft ist, ihre Zukunft”, sagt sie. Angesichts der Bedrohung durch fortschreitende Umweltschäden “wollen sie etwas entwickeln, das helfen kann.”

Ihre Arbeit demonstriert eindrucksvoll, wie interdisziplinäres Denken die Robotik transformieren kann. Von biodegradablen Samen-Robotern, die ihre Form als Reaktion auf Luftfeuchtigkeit verändern, bis zu Ranken-ähnlichen Robotern, die sich um Strukturen winden können – Mazzolais Labor zeigt die enorme Vielfalt an Lösungen, die die Natur bereithält.

Während die Industrie zunehmend auf humanoide Roboter und künstliche Intelligenz setzt, erinnert Mazzolais Arbeit daran, dass Innovation auch aus unerwarteten Quellen kommen kann. Pflanzen, oft als passive Organismen missverstanden, bieten Lösungen für Probleme, an denen konventionelle Ingenieurwissenschaften scheitern könnten.

Die Frage ist nicht mehr, ob bioninspirierte Robotik die Zukunft mitgestalten wird, sondern wie schnell sich dieser Ansatz durchsetzen kann – und ob die Robotik tatsächlich den Sprung zur Nachhaltigkeit schafft, den Mazzolai fordert. Ihre Vision einer Robotik, die nicht nur von der Natur lernt, sondern ihr auch aktiv dient, könnte der Schlüssel zu einer Technologie sein, die im Einklang mit unserem Planeten funktioniert.