Ausgehend von einem Datensatz mit den Bewegungen eines Hundes konstruierte Mickaël Achkar einen Roboter, der, wenn er einmal gestartet ist, selbstständig laufen kann.
Die Leidenschaft des Laboratoriums für computergestützte Roboterkonstruktion und -herstellung (CREATE) besteht darin, neue Methoden zu finden, um Roboter zu konstruieren und ihnen gleichzeitig neue Fähigkeiten zu verleihen. So haben Professorin Josie Hughes und zwei Forscher ChatGPT verwendet, um eine Roboterzange zum Tomatenpflücken zu entwickeln. Oder Mickaël Achkar baute einen Roboterhund auf der Grundlage von Bewegungserfassungsdaten. Für sein Masterprojekt nutzte er biologische Informationen, um intelligenter zu konzeptualisieren und einen hündischen Roboter zu bauen, der nach dem Start selbstständig läuft.
"Das Ziel war es, einen Roboter zu entwickeln, der die Eigenschaften eines Tieres übernimmt, wobei zu beachten ist, dass Tiere wie Menschen eine enorme Vielfalt an Bewegungen aufweisen, die meisten Aufgaben aber von wenigen Gelenken abhängen", erklärt der Student. Mit anderen Worten, es ging darum, die Motorsteuerung eines Tieres als Leitfaden für das Design eines Roboters zu nutzen.
Theoretisch hätte Mickaël eine Heuschrecke, eine Ameise, einen Elefanten oder einen Gepard wählen können. Aber die Wahl fiel auf einen Hund. "Wir haben einen umfangreichen Datensatz aus Bewegungsaufnahmen eines Hundes gefunden, der zudem als Open Source verfügbar ist", erklärt der Student. Der erste Schritt bestand darin, die Daten aus den synergetischen Bewegungen zu extrahieren und sie dann so zu organisieren, dass sie sinnvoll "zusammengefasst" werden konnten. Die Methode nennt sich Hauptkomponentenanalyse. Schematisch ausgedrückt, ermöglicht sie es, die Daten in mehrere Vektoren zu zerlegen, um die Hauptachsen der Bewegungsstruktur herauszuarbeiten und die genauen Spezifikationen des Roboters festzulegen.
Metall, Riemenscheiben, Draht und Schrauben
Das Ergebnis ist ein Roboter Hund, der auf seiner Längsachse symmetrisch ist. Auf jeder Seite befinden sich zwei Beine mit jeweils drei Gelenken, die alle miteinander gekoppelt sind. Darin liegt die Raffinesse. So kann die Laufbewegung eines Hundes nachgeahmt und die gesamte Agilität eines Hundes erlernt werden. Nach der Optimierung des Roboterdesigns wurden für die Herstellung des Roboters nur ein paar Metallknochen, Rollen aus dem 3D-Drucker für die Gelenke, dünne Kabel für die Sehnen und ein paar Schrauben benötigt.
Um zu sehen, ob der Roboter wirklich funktionstüchtig war, kauften die Wissenschaftler ein Laufband. Die Überraschung war, dass der Hunderoboter, wenn er einmal gestartet war, selbstständig laufen konnte, ohne auf Motoren zur Steuerung angewiesen zu sein. "Wir haben uns gefragt, ob das Zufall war, aber ich habe das Design ein wenig verändert und es hat nicht mehr funktioniert." Ein Gegengewicht ist jedoch erforderlich, um den einmal in Gang gesetzten Zyklus wie ein Pendel aufrechtzuerhalten. "Es ermöglicht die Einspeisung von Energie nach einem Prinzip, das man Resonanz nennt", erklärt der Schüler. "Wir haben den Körper so gestaltet, dass er automatisch von selbst reagiert, so wie eine Forelle zu schwimmen beginnt, wenn sie das Wasser wiederfindet", fasst Francesco Stella, Doktorand am CREATE, der die Arbeit betreut hat, zusammen.
Synergisierung der Gelenke
Der Roboter besitzt trotzdem Motoren, um eine Vielfalt an Bewegungen zu ermöglichen. So könnte er zum Beispiel ohne die Unterstützung des Gegengewichts springen oder Hindernisse überwinden. "Dank der Motoren möchten wir das Modell weiterentwickeln, aber im Moment ist es noch ziemlich zerbrechlich. Mickaël testet ihn trotzdem und steckt ihm einen Stock in die Pfoten, um ihn am Laufen zu hindern. Das Roboterhündchen galoppiert automatisch mit der Beweglichkeit seiner vier Gliedmaßen weiter. Auf seinem Laufband erreicht er 6 km/h, ohne zu schwächeln.
"Das Ziel ist nicht, mit zeitgenössischen Hightech-Hunderobotern zu konkurrieren, sondern vielmehr einen alternativen, bio-inspirierten Ansatz vorzuschlagen, bei dem man sich auf das Körperdesign und seine passiven Eigenschaften konzentriert, um so die Steuerung zu vereinfachen und die Fähigkeiten zu maximieren. Diese Art des Designs, bei dem die Gelenke synergetisch zusammenwirken, hat sich bereits als nützlich erwiesen, um Roboterhände oder andere Körperteile nachzubilden", erklärt Mickaël.
Die Arbeit wurde zur Veröffentlichung eingereicht und soll in den nächsten Monaten in einer wissenschaftlichen Zeitschrift erscheinen. Mit seinem Master in Robotik in der Tasche wird Mickaël seinerseits nach Kanada, Montreal, zurückkehren. Nach einem Bachelor-Abschluss in Maschinenbau an der McGill University war die EPFL sein europäisches Zwischenspiel, das er aufgrund seiner Exzellenz und seiner französischsprachigen Niederlassung gewählt hatte. Dort konnte er seine Leidenschaft für die Robotik entdecken.
