Inspirierendes Roboterdesign:Lehren aus der Fortbewegung von Sea Star

Motion Design INSIDER

Die Bewegung von Seesternen erfordert die Bewegung von Hunderten winziger Röhrenfüße. (Bild:Gerald Corsi/iStock)

Seesterne sind Lebewesen, deren Bewegungen die Koordination von Hunderten winziger Röhrenfüße erfordern, um sich in komplexen Umgebungen zurechtzufinden – obwohl sie kein zentrales Gehirn haben. Mit anderen Worten:Es ist, als hätte jeder Fuß seinen eigenen Geist.

Für das Kanso Bioinspired Motion Lab, das am USC Viterbi Department of Aerospace &Mechanical Engineering angesiedelt ist, stellen Seesterne ein faszinierendes Phänomen dar. Das Kanso Lab ist auf die Entschlüsselung der Strömungsphysik lebender Systeme spezialisiert und nutzt diese Erkenntnisse häufig, um Entwicklungen in der Robotik voranzutreiben.

Der aktuelle Artikel des Labors in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , „Tube Feet Dynamics Drive Adaptation in Sea Star Locomotion“ (13. Januar 2026), zeigt, dass die Bewegung von Seesternen durch lokales Feedback einzelner Röhrenfüße gesteuert wird, die jeweils ihre Haftung an der Oberfläche als Reaktion auf unterschiedliche mechanische Belastungen dynamisch anpassen.

„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 Lab und Professorin für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau, Physik und Astronomie. „Gemeinsam mit außerordentlichem Professor Sylvain Gabriele und Doktorandin Amandine Deridoux vom SYMBIOSE Lab haben wir einen speziellen 3D-gedruckten „Rucksack“ für den Seestern entworfen. Durch Be- und Entladen des Rucksacks konnten wir beobachten und messen, wie jeder Rohrfuß auf das zusätzliche Gewicht reagierte.“

Die Forscher fanden heraus, dass jeder Fuß unabhängig auf wechselnde Belastungen reagierte. „Von Anfang an haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Seesterne auf einer hierarchischen und verteilten Kontrollstrategie beruhen, bei der jeder Rohrfuß lokale Entscheidungen darüber trifft, wann er sich an der Oberfläche anbringen und von ihr lösen soll, basierend auf lokalen mechanischen Hinweisen, anstatt von einer zentralen Steuerung gesteuert zu werden“, sagte Kanso.

Die Experimente ermöglichten es dem Team, diese lokalen Reaktionen zu testen und zu quantifizieren. „Wir haben ein mathematisches Modell entwickelt, das zeigt, wie einfache, lokale Kontrollregeln, gekoppelt mit der Mechanik des Körpers, zu einer koordinierten Fortbewegung des gesamten Tieres führen können.“

Dieses Modell für adaptive Bewegung basierend auf lokalem Feedback ist für die Gestaltung von Soft- und Multikontaktrobotik von großer Relevanz. Mögliche Anwendungen an Land, unter Wasser und sogar auf anderen Planeten umfassen dezentrale Fortbewegungssysteme für Roboter, die durch unebenes, vertikales und auf dem Kopf stehendes Gelände navigieren – Umgebungen, die eine konsistente Kommunikation von einer zentralen „Missionskontrolle“ oder menschlichen Entscheidungsträgern verhindern.

„Wir haben auch Experimente durchgeführt, bei denen wir den Seestern auf den Kopf gestellt haben – die Morphologie der Röhrenfüße ermöglicht es dem Seestern, sich weiter zu bewegen“, sagte Kanso. „Stellen Sie sich vor, Sie würden einen Handstand machen. Ihr Nervensystem würde Ihnen sofort mitteilen, dass Sie sich in einer Position befinden, die der Schwerkraft entgegengesetzt ist. Aber ein Seestern hat keine solche kollektive Wahrnehmung.“

Stattdessen ist der Seestern mit der Ortskenntnis ausgestattet, dass jeder Rohrfuß die Schwerkraft unterschiedlich erfährt. Die koordinierte Bewegung beruht auf der Tatsache, dass die Füße mechanisch mit dem Körper verbunden sind. Wenn ein Fuß drückt, wirkt sich die Bewegung auf andere Füße aus. Daher führen lokale Ausfälle nicht unbedingt zum Stillstand des gesamten Systems – was eine höhere Robustheit und Belastbarkeit ermöglicht.

Das ist ein erheblicher Vorteil für autonome Roboter, die sich in extremen Umgebungen bewegen, wo die Gefahr besteht, dass sie umkippen, Last verlieren oder zunehmen oder von einer zentralen Kommunikationsquelle getrennt werden. Während sich schnell bewegende Tiere (von Insekten bis zu Turnern) auf „zentrale Mustergeneratoren“ angewiesen sind – spezialisierte neuronale Schaltkreise im Hirnstamm, die rhythmische motorische Muster erzeugen – sind sich langsam bewegende Seesterne darauf vorbereitet, sich dynamisch an Umweltveränderungen anzupassen.

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