Die Realität vor Ort gestaltet das Robotikdesign neu

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Der Krock-Roboter liegt auf dem Gras © Tomislav Horvat und Kamilo Melo CC BY-SA
Der Krock-Roboter liegt auf dem Gras © Tomislav Horvat und Kamilo Melo CC BY-SA
2016 bestellte die BBC beim BioRob-Labor zwei Reptilienroboter für eine Dokumentation über die Wildnis in Afrika. Die Wissenschaftler hätten sich nie träumen lassen, wie sehr das Testen der Geräte in der Wildnis ihre Herangehensweise an die Entwicklung von Robotern verändern würde.

Auke Ijspeert und sein Team vom Labor für Biorobotik (BioRob) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL hatten ihre bioinformierten Roboter bereits in der Natur getestet. Dies geschah jedoch eher zu Demonstrationszwecken und nicht aus wissenschaftlicher Strenge. Normalerweise werden Funktionstests von Robotern im Labor durchgeführt, z. B. mithilfe von Röntgenvideos, um die Bewegungen der Roboter mit denen der Tiere zu vergleichen, die zur Entwicklung der Roboter inspiriert haben.

Im November 2015 änderten sich die Dinge: Auke Ijspeert und seine Kollegen erhielten von den Produzenten der BBC eine Anfrage, zwei lebensechte Roboter zu entwickeln, von denen einer ein Krokodil und der andere einen Waran imitieren sollte. Beide Arten leben an den Ufern des Nils in Uganda. Der BioRob sollte in weniger als einem Monat Roboter entwerfen und herstellen, die Kameras verbergen und sich unauffällig in diese Umgebung einfügen können, um das Nistverhalten und die Interaktionen dieser Reptilien zu filmen.

Technische Anpassungen

Die Anfrage schien recht einfach zu sein, und die Wissenschaftler vertrauten auf ihre Erfahrung bei der Herstellung von Robotern mit gespreizter Körperhaltung wie Pleurobot und Orobot. Die Roboter, die im Rahmen der Krock-Plattform entwickelt wurden - SpyCroc und SpyLizard - sollten mit echten Krokodilen und Waranen verschmelzen, um ihre Interaktionen zu filmen, sodass ein höherer Prozentsatz ihres Gewichts für die Kameras und die hyperrealistische Haut aufgewendet werden musste.


"Teil des Designprozesses war es, vorauszusehen, was später passieren könnte, und das Design so weit wie möglich zu vereinfachen, um die Reparatur der Roboter im Feld zu erleichtern, wo der Zugang zu spezialisierten Teilen und Geräten begrenzt ist", erklärt Kamilo Melo, ehemaliger Postdoc-Forscher am BioRob und nun Geschäftsführer des Biorobotikunternehmens KM-RoBoTa. Um dies zu erreichen, haben sich die Wissenschaftler auf billige Komponenten verlegt, die leicht auszutauschen oder zu ersetzen sind.

In Uganda stellen die Arbeitsbedingungen im Feld unerwartete Herausforderungen dar. Bei einer Quecksilbersäule von 38 Grad stieg die Temperatur im Inneren der Roboter auf bis zu 80 Grad, was dazu führte, dass sie überhitzten und ausfielen. Die Wissenschaftler mussten also schnell arbeiten, bevor die Tagestemperaturen stiegen, und das Problem umgehen, indem sie die Roboter z. B. in kurzen Perioden mit dazwischen liegenden Abkühlungsphasen laufen ließen. Sie mussten das Design der Roboter so weit wie möglich vereinfachen, um die Anzahl der Verbindungsstücke zu reduzieren, denn mehr Gelenke bedeuten mehr Eintrittsstellen für Sand, Staub und Feuchtigkeit. Was als Stärke des Krock-Designs erschien - wie die strukturelle Steifigkeit - erwies sich als Problem, da das unwegsame Gelände einfach zum Bruch der steifen Komponenten geführt hätte.


BioRob hat die gewonnenen Erkenntnisse in Form einer frei zugänglichen Forschungs- und Methodenressource in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht . Die Wissenschaftler hoffen, dass ihre Erfahrungen in Verbindung mit Designspezifikationen, die einfache, robuste und allgemein verfügbare Komponenten verwenden, anderen helfen werden, ihre Plattform für ihre eigenen Projekte nachzubauen.

Ein leistungsfähigerer Bioroboter

Auf der Grundlage ihrer Erfahrungen in Afrika entwickelten die Wissenschaftler eine neue Version der Krock-Plattform, Krock-2, die robuster, flexibler und wasserdichter ist. Da er weniger aufwändige Tarnelemente wie eine realistische Latexhaut benötigt, bietet der verbesserte Roboter ein großes Potenzial für Rettungs- und Katastropheneinsätze.

Diese Erfahrung hat dem Labor auch neue Forschungsmöglichkeiten eröffnet. "Die Entwicklung einer taktilen Haut mit Sensoren, die die Kräfte der Interaktion mit der Umgebung erkennen können, ist ein wichtiges Thema, das die reine Robotik und die Neurowissenschaften integriert", sagt Auke Ijspeert. "In der Robotik allgemein sind wir sehr gut darin, die Propriozeption zu reproduzieren, aber sehr schlecht darin, all die Sinne zu reproduzieren, die wir in der Haut haben, wie Wärme und Berührung. Diese Technologie ist noch sehr komplex und wir möchten sie in unsere Salamander-Roboter integrieren."

Auf industrieller Ebene nutzt Kamilo Melo seine Erfahrungen mit der Krock-Plattform, um die Zuverlässigkeit von Robotern in KM-RoBoTa zu erforschen: "Die Zuverlässigkeit spielt eine entscheidende Rolle. Basierend auf dem, was wir in der Praxis gelernt haben, konzentrieren wir uns darauf, sicherzustellen, dass Roboter auch bei Regen oder unter unvorhersehbaren Bedingungen nicht ausfallen", erläutert er.

Für die beiden Forscher sind die technischen Verbesserungen der Krock-Plattform, die sie nach den Feldversuchen vorgenommen haben, mehr als nur ein Bonus. Sie möchten die in Uganda gesammelten Erfahrungen nutzen, um die bioinformierten Roboter als wissenschaftliche Werkzeuge zu perfektionieren, z. B. in der robotischen Paläontologie, um die Fortbewegung ausgestorbener Arten wie Dinosaurier zu verstehen. Obwohl Knochen und Fossilien zur Erstellung von Animationen und zur Untersuchung der Kinematik verwendet werden können, um die dynamischen Bewegungen von Dinosauriern zu verstehen, muss ein physikalisches Modell konstruiert werden, das denselben physikalischen Gesetzen unterliegt wie die Tiere der Vergangenheit.

"Alles, was wir getan haben, um die Leistung von Robotern im Feld zu verbessern, ist sehr spannend und nützlich für Such- und Rettungsaktionen und andere Anwendungen. Aber beim BioRob besteht unser Hauptbeitrag darin, mit Wissenschaftlern aus den Bereichen Neurowissenschaften, Biomechanik und Paläontologie zusammenzuarbeiten, um Roboter als physikalisches Werkzeug zur Beantwortung wissenschaftlicher Fragen zu nutzen", sagt Auke Ijspeert.

"Durch die frei zugänglichen Beiträge, die wir im Rahmen dieser Studie geleistet haben, hoffen wir, diese Plattformen erschwinglicher, aber immer noch genau genug für wissenschaftliche Zwecke zu machen."

Referenzen

Kamilo Melo et al,Animal robots in the African wilderness: Lessons learned and outlook for field robotics.Sci. Robot.8,eadd8662(2023).DOI: 10.1126/scirobotics.add86