Lianen können tückisch sein. Nicht nur, weil sie oft regelrechte Labyrinthe bilden, die tropische Regenwälder undurchdringlich machen. Manche Arten sind zudem mit scharfen Haken ausgerüstet. „Die können einem böse die Haut aufreißen, wenn man daran hängen bleibt“, sagt Thomas Speck von der Universität Freiburg. Der Botaniker erinnert sich gut an die schweren Verletzungen am Ohr, die einer seiner Kollegen im Regenwald von Französisch-Guyana erlitt. Dabei sind die Krallen gar nicht als Waffe gedacht, sondern als Hilfe beim Erklimmen von Baumstämmen.

Die Tricks, mit denen Lianen und Co. die verschiedensten Oberflächen hinaufklettern können, faszinieren Thomas Speck seit Jahren. Das Ziel des Leiters der Forschungsgruppe für Pflanzen-Biomechanik: Zusammen mit einem internationalen Team von Botanikern, Robotikspezialisten, Mathematikern, Informatikern und Materialwissenschaftlern will er einen Roboter konstruieren, der sich wie eine Kletterpflanze verhält und fortbewegt. Growbot nennt sich das ehrgeizige Projekt, das die EU-Kommission in den nächsten vier Jahren mit rund sieben Millionen Euro finanziert.

Die Idee, sich beim Bau von Robotern an der Natur zu orientieren, ist nicht neu. Bisher aber haben sich die Konstrukteure vor allem Tiere zum Vorbild genommen. Es gibt Maschinen, die so sensibel zugreifen wie Kraken-Arme, die so energieeffizient springen wie Kängurus oder die sich wie eine Kakerlake noch in die kleinsten Ritzen zwängen.

Pflanzen haben bisher kaum einmal Modell für einen Roboter gestanden. Dabei sind sie keineswegs träge und unbeweglich, wie man auf den ersten Blick meinen könnte. „Tatsächlich sind sie sogar sehr viel in Bewegung“, sagt Thomas Speck. „Das nehmen wir nur nicht so wahr, weil sie nicht in unserem Tempo unterwegs sind.“ So können fleischfressende Arten wie die Venusfliegenfalle in Sekundenbruchteilen zuschnappen, ohne dass unsere Augen ihnen folgen könnten. Wachsende Pflanzen dagegen bewegen sich viel zu langsam für die menschliche Wahrnehmung.

Dafür haben sie aber andere Qualitäten. Da sie kein Gehirn besitzen, werden ihre Bewegungen nicht zentral gesteuert. Wenn Wurzeln oder Blätter einen Reiz wahrnehmen, müssen sie direkt darauf regieren. Das kann man zum Beispiel bei Erbsen und Bohnen gut beobachten. „Wenn deren Ranken irgendwo einen Kontakt zu einem Zweig registrieren, beginnen sie sich in einer Spirale darumzuwickeln“, sagt Thomas Speck. Dadurch können sie an jeder beliebigen Kletterhilfe nach oben wachsen. Und zwar Stück für Stück, ohne ihre Route vorher schon festgelegt zu haben. „Nach diesem Vorbild wollen wir Roboter entwickeln, die nicht ferngesteuert werden müssen“, erläutert der Forscher.

Barbara Mazzola - eine Pionierin aus Italien

Eine der Pionierinnen auf dem Gebiet ist Barbara Mazzolai vom Istituto Italiano di Tecnologia in Pontedera in der Toskana. Sie koordiniert das Growbot-Vorhaben und hat zusammen mit ihren Kollegen 2012 Plantoid vorgestellt, den weltweit ersten Pflanzenroboter, der sich wie eine wachsende Wurzel bewegt. Anfang 2019 legte das Team im Fachjournal Nature Communications mit einer künstlichen Ranke nach. Nun hat sich Mazzolai zusammen mit Kollegen aus Italien, Deutschland, Frankreich, Israel und Spanien den Geheimnissen der Kletterpflanzen zugewandt.

Im Fokus stehen dabei außer Lianen auch europäische Arten wie Efeu und wilder Wein. Das Leben all dieser Pflanzen folgt einer einheitlichen Strategie: Sie keimen am Boden und wollen nach oben, zum Licht. Also fangen sie an zu wachsen und strecken Suchertriebe aus, bis sie irgendwo auf eine Verankerungsmöglichkeit stoßen. Dort heften sie sich je nach Art mit verschiedenen Methoden an. Manche nutzen nur ihre rauen Blätter, andere haben kleine Haftscheiben oder verlassen sich auf ihre Wurzeln. Und wieder andere winden Ranken, Äste oder sogar ihren ganzen Stamm um ihre Stütze. „Dabei müssen sie sehr flexibel auf die vor Ort vorhandenen Befestigungsmöglichkeiten reagieren“, erklärt Speck. Für die Pflanzen ist das selbst in einer so komplexen Umwelt wie einem tropischen Regenwald kein Problem.

Growbot entscheidet über die Route

„Heutige Kletterroboter sind mit solchen Herausforderungen dagegen oft überfordert“, sagt der Experte. Sie können zum Beispiel zwar durchaus einen Baum erklimmen. Zum nächsten Baum, wenn dessen Äste ein paar Meter entfernt sind, schaffen sie es aber meist nicht. Der Growbot soll diese Art von Kunststücken beherrschen – ohne dass man ihm per Fernsteuerung den richtigen Weg zeigen muss. Er soll direkt vor Ort entscheiden, wie er sich weiterbewegt.

Die Forscher haben auch schon recht konkrete Vorstellungen davon, wie das funktionieren könnte. Der Körper des Roboters wird aus einem kleinen 3D-Drucker bestehen, der mit Sensoren für optische Reize und Berührungen ausgerüstet ist. Wie eine Liane auf der Suche nach einem Kletterbaum wird er damit seine nähere Umgebung analysieren. Hat er eine geeignete Anheftungsstelle entdeckt, sprüht er aus einer Düse einen Faden dorthin. Wenn dieser trocknet oder von UV-Licht beschienen wird, windet er sich zu einer Spirale zusammen – und zieht dabei den Drucker zu sich heran. Von seinem neuen Standort kann er den nächsten Ankerpunkt anpeilen.

„Man muss ihm also über das Satellitennavigationssystem GPS nur das Ziel einprogrammieren, das er ansteuern soll“, sagt Speck. „Dann wird er selbstständig seine Umgebung scannen und sich Stück für Stück den besten Weg dorthin suchen.“ Dabei soll Growbot ein paar Schritte vorausplanen und mehrere Optionen gegeneinander abwägen. So kann er sich etwa für jene Route entscheiden, bei der er am wenigsten Material für seine Haftfäden braucht. Dabei soll er aber auch nicht unbedingt den nächstgelegenen Punkt ansteuern, wenn er von da vielleicht schlecht weiterkommt.

„Es gibt schon tolle Algorithmen, mit denen man den besten Weg finden kann“, sagt Thomas Speck. Die Mathematiker im Projekt sind dabei, diese weiter zu optimieren. Und auch die Materialwissenschaftler um Andreas Lendlein von dem in Teltow angesiedelten Institut für Biomaterialforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben vielversprechende Polymere ausgesucht, die sie für die Kunstranken verwenden wollen.

Growbot soll Verschüttete aufspüren

Damit diese Fäden den Drucker zu sich heranziehen können, muss er relativ klein und leicht sein. Für den Anfang denken die Forscher an die Größe eines Schuhkartons und ein Gewicht von vielleicht 700 Gramm, später sollen kleinere Versionen möglich sein, die nur 100 bis 300 Gramm wiegen und die Dimensionen einer Zigarettenschachtel erreichen. Aussehen soll Growbot allerdings eher wie ein länglicher Zylinder, damit er sich auch gut durch Gänge und anspruchsvolle Labyrinthe bewegen kann.

Denn gedacht ist der Kletterkünstler für sehr spezielle Anwendungen. Archäologen können ihn zum Beispiel vor einer Ausgrabung in die unterirdischen Hohlräume längst verfallener Städte schicken, damit er mit seinen Kameras dort Bilder macht. Oder er kann nach Naturkatastrophen zu Verschütteten vordringen, um dort die Lage zu erkunden. Und da man ihn mit den verschiedensten Messgeräten ausrüsten kann, ist er auch für die Raumfahrt interessant. Speck ist zuversichtlich, dass der erste Prototyp von Growbot in zwei bis drei Jahren auf Klettertour gehen kann.