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Miniroboter lenken Pflanzen


TASPO GARTEN-DESIGN - epaper ⋅ Ausgabe 6/2019 vom 23.08.2019

Als Spezialist für Service-Robotik leitet Prof. Dr. Heiko Hamann das internationale Projekt „flora robotica“. Bei diesem zeigen Mini-Roboter den Pflanzen, wo´s langgehen soll: Die Maschinen beeinflussen dabei das Pflanzenwachstum so, dass architektonische Gebilde entstehen.


Ursprünglich hatte Prof. Hamann überhaupt nichts mit Pflanzen zu tun. Das Interesse des Informatikers und Ingenieurs galt vielmehr Robotern für die Industrie. Das führte ihn zur Bionik. Bereits 2006 beschäftigte er sich mit Ameisen und Bienen und schrieb seine Diplomarbeit über Schwarm intelligenz:

Ameisen und Bienen leben in ebenso ...

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Bildquelle: TASPO GARTEN-DESIGN, Ausgabe 6/2019

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... komplexen wie effizienten Gesellschaften. Ihre Leistungen verdanken sie nicht der Genialität einzelner Individuen, sondern dem Team, deren Mitglieder perfekt aufeinander abgestimmt sind. „Ameisen- Gesellschaften sind dezentrale Systeme. In einem solchen braucht das Individuum keine Arbeitsanweisung, jedes weiß selbst, was es zu tun hat. In ihrem Zusammenspiel können so relativ simple Organismen große Dinge leisten“, sagt Prof. Hamann. 2018 veröffentlichte er ein englischsprachiges Buch zur Schwarmrobotik, Anfang August 2019 erschien sein Buch in deutscher Sprache.

Die Vision: Komplexe Strukturen wachsen, indem Roboter und Pflanzen miteinander kommunizieren. Die Roboter lenken die Pflanzen – die Pflanzen signalisieren, was sie dafür brauchen.


Flecht-Roboter: Gerüste aus geflochtenen Strukturen geben den Pflanzen Halt und eröffnen schier unendliche Möglichkeiten für Gestaltung und Wachstumsmuster.


Fotos: Flora Robotica

Vernetzungsstrategien

Wie funktioniert eine Kommunikation zwischen Maschinen und lebenden Organismen? Mit dieser Frage beschäftigten sich in der Vergangenheit mehrere Studien, jedoch bezogen sich bisherige Experimente überwiegend auf Insekten. Ein Projekt, das sich mit der Vernetzung von Pflanzen und Computern befasste, heißt PLEASED und wurde wie das „flora robotica“-Projekt von der EU gefördert. Hier fungierten die Pflanzen als Anzeiger für Umweltparameter wie Chemikalien, Temperatur, Parasiten und sauren Regen. Denn Pflanzen reagieren sehr sensibel auf Umwelteinflüsse und verfügen zugleich über die Fähigkeit, die erfassten Parameter über elektrische Signale mitzuteilen.

Rotes Licht nutzen die Pflanzen zur Fotosynthese.


Wie kommunizieren die Roboter ihrerseits mit den Pflanzen? Wie bringen sie eine Pflanze dazu, in eine bestimmte Richtung zu wachsen? Um diese Fragen zu beantworten, begaben sich die Wissenschaftler von „flora robotica“ auf die Suche nach geeigneten Pflanzen-Stimuli. Eine Herausforderung, denn manche Pflanzenarten reagierten auf die getesteten Stimuli anders als andere.
Es gab trotzdem eine Gemeinsamkeit: Die weitaus meisten Arten reagieren auf blaues Licht mit Wachstum. Hingegen wird rotes Licht zwar für die Fotosynthese benutzt, regt aber das Wachstum nicht an. Als Wachstums-Hemmung erwies sich Vibration als effektiv: Die stresse die Pflanze, so dass sie an der betreffenden Stelle nicht weiterwachse, sagt Prof. Hamann. Dieser Effekt könne gezielt eingesetzt werden, um etwa ein Fenster von Bewuchs freizuhalten. Den Bauplan dazu liefert das Netzwerk aus Mini-Computern.

Flecht-Roboter

Nachdem die Wissenschaftler herausgefunden hatten, wie ihr Plan funktioniert , musste dieser in die Praxis umgesetzt werden. Jetzt waren Ingenieure und Botaniker gefragt: Die Techniker mussten nicht nur Wasser, Dünger und Licht an die richtigen Stellen bringen, sondern auch Gerüste entwerfen, an denen die Pflanzen entlangwachsen konnten. Die Botaniker hatten herauszufinden, welche Pflanzen sich für einfache Tests und kompliziertere Gebilde eignen.

Eine Lösung fanden die Techniker in sogenannten Flecht-Robotern: Gerüste in Schlauchform und geflochtenen Strukturen, die sich aufspalten und in der Größe je nach Wunsch anpassen können. Sie geben den Pflanzen Halt und eröffnen schier unendliche Möglichkeiten für die Struktur des Gebildes.

Bei der Suche nach geeigneten Pflanzen kam zunächst eine längere Liste von Arten in Betracht. Botaniker plädierten für Tomaten und Tabak, denn diese hatten sich bereits in der Vergangenheit als Modellorganismen bewährt. Für „flora robotica“ kamen sie jedoch nicht in Frage: Beide können nicht an Gerüsten entlang ranken, und beide wachsen zu langsam für Testreihen. Im Laufe der Versuche schieden weitere Kandidaten wie Bambus aus. Dieser reagierte zwar wie gewünscht – richtete sich aber direkt nach Wegfall der Stimuli wieder gerade aus.

Gesucht wurden Pflanzen, die wie gewünscht reagieren und zudem schnell wachsen und Kletter-Fähigkeiten besitzen. Über all diese Eigenschaften verfügt die einfache Rankbohne (Phaseolus vulgaris ), sagt Prof. Hamann. Allerdings eigne sie sich zwar für den Laborversuch, nicht aber für größere Freilandprojekte. Denn die Rankbohne ist einjährig und verholzt auch nicht.

Foto rechts: Anders Ingvartsen, CITA


Antwort auf den Klimawandel?

Die bisherigen Objekte bei „flora robotica“ sind in ihrer Dimension überschaubar: Sie haben eine Größe von armgroß bis über zwei Meter und wuchsen innerhalb von zwei bis drei Wochen. Zum Abschluss des Projekts im März 2019 begrünten zwei Monate lang mehrere Bohnenpflanzen an geflochtenen Gerüsten eine komplette Wand. Mit diesem Versuch wurde die Fähigkeit des Systems zur Selbstreparatur bewiesen: Die Wissenschaftler schnitten ein Loch in die Pflanzenwand – und warteten darauf, dass sie wieder zuwuchs.

Das Projekt „flora robotica“ liefert bislang die Grundlagenforschung – das lebende Haus bleibt vorerst Vision und viele offene Fragen bleiben zu klären, darüber ist sich Prof. Hamann im Klaren. Die bisherigen Tests fanden unter optimalen Laborbedingungen statt – bei Versuchen draußen in der Natur müssen die Licht-Stimuli der Roboter mit dem Sonnenlicht konkurrieren, das über den Horizont wandert.

Nichtsdestotrotz ist Prof. Hamann überzeugt, dass sich auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse gut weiterarbeiten lässt und Großes möglich sein wird: Ein Nachfolgeprojekt könnte prüfen, ob die intensive Blaulicht-Bestrahlung im Freiland funktioniert. Man könnte mehrere der bisher im Labor benutzten Biohybrid-Gemeinschaften miteinander verbinden, um Strukturen in größeren Dimensionen entstehen zu lassen. Prof. Hamann denkt zum Beispiel an ein Pilotprojekt mit einer Gemeinde, in der vielleicht eine Freiland-Wand in der Innenstadt begrünt wird. Möglich wäre auch, sukzessive auszuprobieren, was funktioniert, um von einfachen Strukturen zu immer komplexeren zu gelangen: vom Stuhl zum Tisch zur Überdachung – und am Ende bis hin zum kompletten Bauwerk.

Bis zur Marktreife eines ersten Produkts rechnet Prof. Hamann mit zirka zwei bis fünf Jahren. Doch die eigentliche Vision, um die es bei „flora robotica“ geht, ist mehr als ein Möbelstück, ein Dach oder ein Bauwerk: Es die „Zusammenführung von Technik und Natur“, sagt Prof. Hamann.

Im Oktober 2018 hat die Forschungsgruppe von „flora robotica“ ihre vorläufigen Ergebnisse im Royal Society Open Science Journal veröffentlicht. Darin ist von den Vorteilen zu lesen, welche die Roboter-Pflanzen-Gesellschaften im Vergleich zu herkömmlicher Architektur haben: Demnach bieten sie viele Möglichkeiten für neuartige ästhetische Designs, sie können sich selbst reparieren und veränderten Bedürfnissen anpassen. Außerdem sind Pflanzen als Baumaterial ressourcenschonend und ersparen lange Transportwege. Die Pflanzen erzeugen ferner Sauerstoff, bieten Lebensraum für Kleinlebewesen und reduzieren Luftverschmutzung, Lärm und Hitze in wachsenden Städten. Damit könnten biohybride Gemeinschaften vielleicht auch eine Antwort auf den Klimawandel sein.