Inspiration für Roboterdesign: Lektionen aus der Fortbewegung von Seesternen

Motion Design INSIDER

Die Bewegung von Seesternen umfasst die Bewegung hunderter winziger Füßchen. (Bild: Gerald Corsi/iStock)

Seesterne sind Kreaturen, deren Bewegungen die Koordination hunderter winziger Füßchen beinhalten, um komplexe Umgebungen zu navigieren – trotz des Fehlens eines zentralen Gehirns. Mit anderen Worten, es ist so, als hätte jeder Fuß einen eigenen Verstand.

Für das Kanso Bioinspired Motion Lab, angesiedelt im USC Viterbi Department of Aerospace & Mechanical Engineering, stellen Seesterne ein faszinierendes Phänomen dar. Das Kanso Lab spezialisiert sich auf die Entschlüsselung der Strömungsphysik lebender Systeme und wendet diese Erkenntnisse oft auf Entwicklungen in der Robotik an.

Der jüngste Paper des Labs in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), „Tube feet dynamics drive adaptation in sea star locomotion“ (13. Januar 2026), enthüllt, dass die Bewegung von Seesternen durch lokales Feedback von einzelnen Füßchen gesteuert wird, die ihre Haftung an der Oberfläche dynamisch anpassen als Reaktion auf unterschiedliche Grade mechanischer Belastung.

„Wir begannen mit der Arbeit an Seesternen mit dem McHenry Lab an der UC Irvine und arbeiteten später mit Biologen an der Universität Mons in Belgien zusammen“, sagte Eva Kanso, Direktorin des Kanso Labs und Professorin für Luft- und Raumfahrttechnik, Maschinenbau, Physik und Astronomie. „Gemeinsam mit Associate Professor Sylvain Gabriele und Doktorandin Amandine Deridoux am SYMBIOSE Lab entwarfen wir einen speziellen 3D-gedruckten ‚Rucksack‘ für den Seestern. Durch Be- und Entladen des Rucksacks konnten wir beobachten und messen, wie jedes Füßchen auf das zusätzliche Gewicht reagierte.“

Die Forscher entdeckten, dass jedes Füßchen unabhängig auf veränderte Lasten reagierte. „Von Anfang an vermuteten wir, dass Seesterne auf eine hierarchische und verteilte Kontrollstrategie setzen, bei der jedes Füßchen lokale Entscheidungen darüber trifft, wann es sich an der Oberfläche anheftet oder löst, basierend auf lokalen mechanischen Signalen, anstatt von einem zentralen Controller gesteuert zu werden“, sagte Kanso.

Die Experimente ermöglichten es dem Team, diese lokalen Reaktionen zu testen und zu quantifizieren. „Wir entwickelten ein mathematisches Modell, das zeigt, wie einfache, lokale Kontrollregeln, gekoppelt durch die Mechanik des Körpers, zu koordinierter, ganzkörperlicher Fortbewegung führen können.“

Dieses Modell für adaptive Bewegung basierend auf lokalem Feedback ist hochrelevant für das Design von weichen und multi-kontakt Robotik. Potenzielle Anwendungen an Land, unter Wasser und sogar auf anderen Planeten umfassen dezentrale Fortbewegungssysteme für Roboter, die unebenes, vertikales und kopfüberes Terrain navigieren – Umgebungen, die eine konsistente Kommunikation von einer zentralen „Mission Control“ oder einem menschlichen Entscheidungsträger verhindern.

„Wir führten auch Experimente durch, in denen wir den Seestern auf den Kopf drehten – die Morphologie der Füßchen ermöglicht es dem Seestern, sich weiter zu bewegen“, sagte Kanso. „Stellen Sie sich vor, Sie machen einen Handstand. Ihr Nervensystem würde Ihnen sofort signalisieren, dass Sie in einer der Schwerkraft entgegengesetzten Position sind. Aber ein Seestern hat keine solche kollektive Erkennung.“

Stattdessen ist der Seestern mit dem lokalen Wissen jedes Füßchens ausgestattet, das die Schwerkraft unterschiedlich erfährt. Koordinierte Bewegung entsteht, weil die Füßchen mechanisch mit dem Körper verbunden sind; wenn ein Fuß drückt, beeinflusst die Bewegung andere Füße. Als Ergebnis führen lokale Ausfälle nicht zwangsläufig zum Stillstand des Gesamtsystems – was fortschrittliche Robustheit und Resilienz ermöglicht.

Das ist ein erheblicher Vorteil für autonome Roboter, die extreme Umgebungen navigieren, die zum Kippen, Lastverlust oder -gewinn oder zur Trennung von einer zentralen Kommunikationsquelle neigen. Während schnell bewegliche Tiere (von Insekten bis Turner) auf „zentrale Mustererzeuger“ setzen – spezialisierte neuronale Schaltkreise im Hirnstamm, die rhythmische Motorpattern erzeugen – sind langsame Seesterne darauf vorbereitet, sich dynamisch an Umgebungsveränderungen anzupassen.

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