US-Forscher entwickeln „mechanisch intelligenten“ Soft-Roboter ohne Mikrocomputer – drei Schwimmmodi unter Wasser

Eine von Forschern der North Carolina State University entwickelte „mechanisch intelligente“ Soft-Roboter wurde am 13. Oktober vorgestellt. Der Roboter kommt ohne Mikrocomputer aus, verzichtet auf Echtzeit-Algorithmen und nutzt lediglich zwei Luftschläuche zur Steuerung von Ein- und Ausströmen, um zwischen drei Schwimmmodi – Qualle, Fisch, Rotor – zu wechseln und Auf- und Absteigen, Schweben sowie Lenken auszuführen. Seine Steuerungslogik liegt vollständig in Material und Struktur begründet, was gleichbedeutend damit ist, das „Gehirn“ in die Struktur zu integrieren. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe von Science Advances veröffentlicht.

Der Kern dieser Forschung liegt nicht in der biomimetischen Form, sondern in einem Designkonzept namens „mechanische Intelligenz“: Die traditionell von Sensoren, Chips und Algorithmen erledigte Arbeit wird an Material und Geometrie des Roboters delegiert. Mit anderen Worten: Der Körper selbst ist der Prozessor. Dieses Konzept entstand aus dem Durchbruch der architektonischen Engpässe traditioneller weicher Unterwasserroboter. In den vergangenen zehn Jahren haben sich weiche Unterwasserroboter in vielfältige Formen entwickelt, doch die meisten können nur einen einzigen Bewegungsmodus gleichzeitig realisieren, und ihr Aktionsradius ist auf die zweidimensionale Ebene beschränkt: Sie können vor- und rückwärts, auf- und absteigen, aber nicht lenken.

Um dreidimensionale Manövrierfähigkeit unter Wasser zu erreichen, müssen für alle drei Richtungen jeweils unabhängige Antriebssysteme vorgesehen werden.

Designkonzept „mechanische Intelligenz“ treibt Unterwasserroboter-Technologie voran

2018 stellte das Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory des MIT (MIT CSAIL) den weichen Unterwasser-Roboterfisch SoFi vor, der mithilfe von sechs unabhängigen Antriebseingängen – jeweils verantwortlich für Flossenbewegung, Auftriebsregelung und Steuerung der Tiefenruder – in Kombination mit Hydraulikpumpe, bordeigenem Lithium-Akku und akustischem Fernsteuermodul dreidimensionales autonomes Schwimmen realisierte.

Der Roboterhauptkörper besteht aus einem zentralen achteckigen Rahmen, mit dem vier flexible dreieckige Arme verbunden sind. Im Rahmen befindet sich ein ultraweicher, flacher Silikon-Luftsack, der einen zweikanaligen pneumatischen Aktuator bildet. Der Prototyp ist 55 Millimeter lang und wiegt 14,5 Gramm. Das Team gestaltete jeden Arm als „monostabile“ Struktur, ähnlich einer Feder-Tür: Beim Aufblasen schlägt der Arm schnell nach unten, überschreitet den kritischen Punkt und gibt elastische Energie frei; nach dem Entleeren federt die Struktur automatisch zurück, die Umdrehung des Arms dauert etwa 26 Millisekunden.

Konkret: Gleichzeitiges Ein- und Ausströmen in beiden Kanälen lässt alle vier Arme synchron schlagen, erzeugt vertikale Pulse, und der Roboter vollführt im Quallenmodus Aufsteigen, Absteigen und Schweben; wird nur eine Seite mit Luft versorgt, schlägt der gegenüberliegende Arm stark aus, der benachbarte assistiert, und der Roboter schwimmt zielgerichtet wie ein Fisch; werden die beiden Kanäle mit 180 Grad Phasenversatz abwechselnd befüllt, schlagen benachbarte Arme abwechselnd aus, der Roboter steigt spiralförmig auf der Stelle auf und wechselt in den Rotormodus. Die drei Modi lassen sich kontinuierlich umschalten, sodass der Roboter entlang einer vorgegebenen Bahn kombinierte Aktionen wie Aufsteigen, Schweben, Lenken und Absteigen ausführen kann.

Bei den Leistungsdaten erreicht der Quallenmodus eine maximale Aufstiegsgeschwindigkeit von 1,64 Körperlängen pro Sekunde, die minimalen Transportkosten betragen 17,6; der Rotormodus erreicht eine Spitzen-Drehgeschwindigkeit von etwa 90 Grad pro Sekunde. Zwischen den drei Modi ist ein kontinuierlicher, sanfter Wechsel möglich, der Roboter kann entlang einer Π-förmigen Bahn kontinuierlich Aufsteigen–Schweben–Lenken–Absteigen kombinieren und auch durch die Drehung im Rotormodus neu ausrichten, um anschließend im Fischmodus geradlinig zu schwimmen – echte dreidimensionale Manövrierfähigkeit.

Derzeit benötigt dieser Roboter noch manuell eingestellte Ein- und Ausströmfrequenzen und -phasen, er verfügt nicht über eigene Echtzeit-Wahrnehmung und Entscheidungsfähigkeit. Beim Moduswechsel beeinflusst der vom vorangegangenen Drehvorgang verbliebene Drehimpuls das zielgerichtete Schwimmen; einmal geformt, ist die strukturelle Aufgabenanpassungsfähigkeit begrenzt.