Barbara Mazzolai entwickelt biologisch inspirierte Robotik als neues Forschungsfeld

Die Natur als Blaupause für eine nachhaltige Robotik-Revolution

Barbara Mazzolai steht an der Spitze einer wissenschaftlichen Bewegung, die das Verhältnis zwischen Technologie und Natur grundlegend neu definieren könnte. Die italienische Forscherin am Italian Institute of Technology in Genua hat ihre Karriere der biologisch inspirierten Robotik gewidmet – und geht dabei weit über bloße Nachahmung hinaus. Ihr Ziel: ein komplett neues Forschungsfeld zu etablieren, das sie “Sustainability Robotics” nennt und das nicht nur von der Natur lernt, sondern ihr auch etwas zurückgibt.

Von der Biologin zur Pionierin der Biorobotik

Mazzolais Weg in die Robotik war alles andere als konventionell. Nach einem Studium der Biologie an der Universität Pisa und ersten Forschungsjahren zur Verteilung von Schwermetallen in Ökosystemen ergab sich 1999 eine unerwartete Chance: Die Universität suchte Biologen für die Entwicklung von Umweltüberwachungssystemen. Unter der Leitung des renommierten Bioroboticers Paolo Dario begann sie zunächst mit der Entwicklung von Sensoren, später dann mit kompletten Robotersystemen für das Monitoring von Luft, Wasser und Boden.

Bereits 2004, noch vor ihrer Promotion, entwickelte Mazzolai gemeinsam mit Kollegen einen Roboter, der zum Paradigma für ein damals noch junges Feld werden sollte: einen von Oktopussen inspirierten Soft Robot. “Wir wollten demonstrieren, dass Roboter weich sein können und gleichzeitig starke Kräfte auf ihre Umgebung ausüben – genau wie das Tier”, erklärt sie. Diese Arbeit legte den Grundstein für das Feld der Soft Robotics, das heute rasant wächst.

Pflanzen als unterschätzte Vorbilder

Der vielleicht innovativste Schritt in Mazzolais Karriere war die Hinwendung zu Pflanzen als Inspirationsquelle für Roboter. Während die meisten bioinspierten Roboter Tiere nachahmen, erkannte Mazzolai das enorme Potenzial scheinbar statischer Organismen. “Pflanzen bewegen sich ständig durch einen Prozess, den wir indeterminiertes Wachstum nennen”, erläutert sie. “Sie passen ihre Morphologie und ihr Verhalten an die Umwelt an, sie reparieren sich selbst, sie nehmen wahr, sie kommunizieren.”

Besonders faszinierten sie Pflanzenwurzeln und ihre Fähigkeit, den Untergrund hocheffizient zu erkunden. Der Trick: Wurzeln wachsen nur an ihrer feinen Spitze, während der dickere Wurzelkörper statisch bleibt. Das reduziert die Reibung und damit den Energieaufwand dramatisch im Vergleich zu herkömmlichen Bohrsystemen.

Um dieses Prinzip technisch umzusetzen, entwickelte Mazzolais Team einen miniaturisierten 3D-Drucker, der an der Spitze des Roboters sitzt. Dieser druckt kontinuierlich einen schlangenförmigen Körper aus thermoplastischem Filament, während die Spitze sich durch den Boden schiebt. Integrierte Sensoren ermöglichen es dem Roboter dabei, Hindernisse zu umgehen und Nährstoffe oder Wasser aufzuspüren. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Umweltmodellierung bis zur Präzisionslandwirtschaft.

Zwei Gehirne für einen Roboter

Die Entwicklung bioinspirierter Roboter erfordert eine besondere Denkweise. Mazzolai spricht davon, “zwei getrennte Gehirne” haben zu müssen – eines eines Biologen und eines eines Ingenieurs. Der Prozess beginnt mit einem tiefen Studium des Zielorganismus, um die grundlegenden Prinzipien seines Funktionierens zu verstehen. Erst dann folgt die technische Umsetzung.

Dabei geht es explizit nicht um eine exakte Kopie. “Es ist keine Nachbildung natürlicher Organismen”, betont Mazzolai, denn lebende Systeme verfolgen andere Ziele und sind in ihrer Komplexität kaum vollständig reproduzierbar. Stattdessen extrahiert sie die funktionalen Prinzipien und übersetzt sie in technische Lösungen.

Das fehlende Puzzleteil: Tastsinn in der Robotik

Während Mazzolai an ihren pflanzen- und octopusinspirierten Robotern arbeitet, wird in der breiteren Robotik-Community zunehmend klar, dass ein entscheidendes Element für geschickte Manipulation fehlt: der Tastsinn. Trevor Darrell von der UC Berkeley bringt es auf den Punkt: “Die meisten geschickten Manipulationsaufgaben können Menschen mit geschlossenen Augen ausführen. Das Verständnis von Kraft, Schlupf und präzisem Greifen ist mit traditionellen visuellen Sensoren nicht gut möglich.”

Diese Erkenntnis deckt sich perfekt mit Mazzolais Ansatz. Bereits in ihrer frühen Karriere bemängelte sie, dass Roboter zwar häufig taktile oder propriozeptive Sensoren nutzen, diese sich aber meist auf die Position des Roboters konzentrieren. “Es gibt nur wenige Roboter, die physikalische oder chemische Sensoren integrieren, um ihre Umgebung wirklich zu verstehen”, kritisiert sie.

Neueste Forschungsergebnisse zeigen, wie wertvoll taktile Daten sind. Ein Team um Darrell entwickelte ein Modell, das hochfrequente taktile Rückmeldungen nutzt, um Greifvorgänge in Echtzeit zu korrigieren. Bei Aufgaben wie dem Einschrauben einer Glühbirne oder dem Auftragen von Zahnpasta erreichte das System eine Erfolgsquote von 65 Prozent – fast doppelt so viel wie die besten rein visuellen Systeme.

Die Herausforderung der Datenvielfalt

Ein zentrales Problem der taktilen Robotik ist die enorme Heterogenität der Hardware. Von voll artikulierten fünffingrigen Händen bis zu einfachen Zangengreifern, von druckbasierten bis zu bildgebenden taktilen Sensoren – die Vielfalt macht es schwer, Daten zu teilen und Erkenntnisse zu übertragen.

Chengbo Yuan von der Tsinghua University in Peking hat über 3000 Stunden taktiler Robotikdaten aus öffentlichen Datensätzen zusammengetragen, die 21 verschiedene Sensortypen und unterschiedliche Roboterverkörperungen abdecken. Sein hardware-agnostisches Modell konvertiert die Ausgaben verschiedener Sensoren in ein gemeinsames Format und erreicht dadurch eine Art “gesunden Menschenverstand” für taktiles Wissen.

Die chinesische Firma NeoteAI ist noch einen Schritt weiter gegangen und hat bereits über 30.000 Stunden Demonstrationsdaten mit synchronisierten visuellen und taktilen Informationen gesammelt – eine Größenordnung mehr als frühere Bemühungen. Das darauf trainierte Modell reagiert nicht nur auf Berührung, sondern sagt auch proaktiv voraus, was der Roboter fühlen sollte, und verbessert damit die Leistung erheblich.

Vision für eine nachhaltige Robotik

Nach Jahren, in denen sie von der Natur geborgt hat, möchte Mazzolai nun der Umwelt etwas zurückgeben. In einem Manifest, das im Juli in Nature Machine Intelligence erschien, skizziert sie mit Kollegen ihre Vision einer “Sustainability Robotics”. Diese basiert auf drei Säulen: minimale Umweltauswirkungen der Roboter, weltweite Verfügbarkeit über alle sozioökonomischen Schichten hinweg und “Symbiose” – Roboter sollen sowohl Menschen als auch der Natur nützen.

Konkret bedeutet das, den gesamten Lebenszyklus von Anfang an in das Roboterdesign einzubeziehen. Am Ende ihrer Nutzungsdauer sollen Roboter wiederverwendet, recycelt oder sogar biologisch abgebaut werden können. Mazzolai arbeitet bereits an biologisch abbaubaren Robotern, die von Samen inspiriert sind und ihre Form als Reaktion auf Feuchtigkeit ändern können.

“Wir müssen den Fußabdruck unserer Technologie reduzieren”, sagt Mazzolai. “Es geht wirklich darum, anders zu denken, um neue Möglichkeiten für die Robotik und die Gesellschaft zu eröffnen.” Für sie ist Nachhaltigkeit keine optionale Zugabe, sondern eine Kernkomponente des Designs.

Ausblick: Eine neue Generation motivieren

Mazzolai ist zuversichtlich, dass alle Zutaten für ihre Vision vorhanden sind. Besonders wichtig ist ihr die Motivation junger Wissenschaftler. “Es gibt jüngere Menschen, die wirklich in diesem Bereich arbeiten wollen, weil dies die Zukunft ist, ihre Zukunft”, sagt sie. Angesichts der anhaltenden Umweltschäden wollen sie “etwas entwickeln, das helfen kann.”

Die Verbindung von biologischer Inspiration, taktiler Intelligenz und nachhaltiger Technologieentwicklung könnte tatsächlich einen Paradigmenwechsel in der Robotik einleiten. Mazzolais Arbeit zeigt, dass Roboter nicht nur effizienter und geschickter werden können, wenn sie von der Natur lernen – sie können auch zu einem positiven Faktor für unsere Umwelt werden. Die Frage ist nicht mehr, ob Roboter von der Natur inspiriert sein sollten, sondern wie wir sicherstellen, dass sie mit ihr in Harmonie existieren.