Die Integration so vieler Transportmittel auf einer einzigen Plattform sei ein Novum, sagt Alireza Ramezani, Robotikingenieur an der Northeastern University und einer der leitenden Forscher. Die Aufgabe erforderte herausfordernde Designüberlegungen: „Beim multimodalen Roboterdesign bringt jeder Modus mit zunehmender Anzahl der Modi [der Fortbewegung] seine eigenen Designanforderungen mit sich“, sagt er. Um all diese Designanforderungen zu integrieren, mussten die Forscher verschiedene Kompromisse eingehen.
Robotikingenieure orientieren sich häufig an der Fortbewegung von Tieren, um sich für effektivere und effizientere künstliche Gliedmaßen, Gelenke und Muskeln inspirieren zu lassen. Eine besonders fruchtbare Inspirationsquelle ist die Untersuchung von Lebewesen, die ihre Gliedmaßen für verschiedene Arten der Fortbewegung nutzen – denken Sie an Amphibien, die sowohl gehen als auch schwimmen, oder Vögel, die sowohl gehen als auch fliegen. Diese Inspiration hat zum SPIDAR geführt, der kriecht und fliegt, zum LEO, der Skateboard fährt und Slacklines fährt, und zu Robotern, die zwischen zweibeinigem und vierbeinigem Modus wechseln können.
„Wenn Sie Flugroboter entwerfen, möchten Sie, dass Ihre Systeme extrem leicht sind“, sagt Ramezani. „Aber wenn man eine Fortbewegung auf Beinen erreichen will, braucht man sperrige Aktuatoren, die Drehmomente in den Gelenken für dynamische Interaktionen mit der Bodenoberfläche erzeugen können.“ Diese sperrigen Komponenten können die Flugmobilität negativ beeinflussen. Und das nur für ein System mit zwei Mobilitätsmodi.“ M4 kann auf unebenem Gelände gehen, steile Hänge erklimmen, über sperrige Gegenstände stolpern, unter Hindernissen mit niedriger Decke hindurch kriechen und fliegen.
M4 mag wie eine einfache Kiste auf Rädern aussehen, aber es ist der erste Roboter, der sich auf acht verschiedene Arten in der Stadt fortbewegen kann.Northeastern University/Nature Communications
Die Umnutzung war der Schlüssel zur Skalierbarkeit des Designs des M4, d. h. zur Erhöhung seiner Nutzlastkapazität, ohne dass seine Mobilität beeinträchtigt wurde. Indem man sich darauf konzentrierte, wie der Roboter seine vorhandenen Gliedmaßen für verschiedene Fortbewegungsarten wiederverwenden könnte, ohne zusätzliche Masse einzuführen, wurde Nutzlastkapazität für Computer, Sensoren usw. frei. Die Skalierbarkeit wurde durch Redundanzmanipulation erreicht.
Jetzt haben Ingenieure am Caltech und der Northeastern University (in Boston) einen multimodalen Roboter entwickelt, der nicht auf zwei oder drei, sondern auf acht verschiedene Arten navigieren kann – darunter Gehen, Krabbeln, Rollen, Taumeln und sogar Fliegen. Allerdings ähnelt der Multi-Modal Mobility Morphobot (M4) eher einem eleganten kleinen Wagen als einem Bestiarium. M4 ist 70 Zentimeter lang und 35 cm hoch und hat vier Beine mit jeweils zwei Gelenken. An den Enden jedes Beins befinden sich außerdem zwei Kanalventilatoren, die als Beine, Propellertriebwerke oder Räder fungieren können. Der Roboter ist überraschend leicht – etwa sechs Kilogramm –, wenn man bedenkt, dass er seine Bordcomputer, Sensoren, Kommunikationsgeräte, Gelenkaktuatoren, Antriebsmotoren, Leistungselektronik und Batterie mit einschließt. Es ist in der Lage, autonom und in sich geschlossen zu arbeiten.
Das Forschungsteam führte Experimente durch, um M4 auf Herz und Nieren zu testen – Fortbewegung auf Rädern und Vierbeinern, unbemannte Fortbewegung auf dem Boden sowie in der Luft und mehr. Sie berichten, dass M4 bei der multimodalen Pfadplanung zwischen Reisen am Boden und Fliegen völlige Autonomie zeigte.
Die Einzelheiten von M4 wurden am 27. Juni in Nature Communications veröffentlicht.
Der bioinspirierte „Transformator“, der krabbelt, rollt und fliegt – Naturvideo
Mit anderen Worten: M4 kann mit seinen vier Anhängseln wie ein Bodenfahrzeug rollen oder als Vierbeiner kriechen, aber auch auf zwei Anhängseln stehen. Im Stehen hat der Roboter einen höheren Blickwinkel und eine dynamischere Fortbewegung, als Vierbeiner verfügt er jedoch über vier Kontaktpunkte mit der Umwelt und ist daher stabiler. „Hier geht es darum, ein Gleichgewicht zwischen den Kompromissen zu finden, die die einzelnen Mobilitätsarten mit sich bringen, und der Mechanismus, von einem Modus zum anderen zu wechseln, besteht in der Manipulation dieser Redundanzen“, sagt Gharib.
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Die Forscher ließen sich bei ihrem Design von der Fortbewegungsplastizität in der Natur inspirieren. Morteza Gharib, Luftfahrtprofessor am Caltech und Co-Leiter des Projekts, sagt, dass die Natur „für uns ein offenes Buch des Designs“ war, insbesondere in der Art und Weise, wie sie Systeme umfunktioniert, um Funktionalität bereitzustellen. „Das Einzigartige an [diesem] Roboter ist, dass er über die höchste Anzahl an Funktionalitäten mit der minimalen Anzahl an Komponenten verfügt und außerdem in der Lage ist, Entscheidungen darüber zu treffen, welchen Roboter er für verschiedene Herausforderungen verwendet.“
Abgesehen von der Weltraumforschung sehen die Forscher unter anderem auch Potenzial für Such- und Rettungseinsätze, Pakethandhabung und -zustellung, Umweltanwendungen und digitale Landwirtschaft. Die Fähigkeit des Systems, seine Form und Form zu ändern, verschafft ihm viele Vorteile gegenüber Robotern mit fester Geometrie, sagt Gharib.
Mit seinen Bordsensoren und Computern war M4 in der Lage, eine unstrukturierte Umgebung zu meistern, indem es vom Rollen zum Fliegen wechselte, aber die Forscher wollen mehr. „Der nächste Schritt für uns besteht darin, dass der Roboter alle Mobilitätsmodi von [M4] auf völlig autonome Weise nutzen kann, basierend auf den sensorischen Informationen, die er aus der Umgebung sammelt“, sagt Ramezani.
Die Forscher sind immer noch auf der Suche nach einer Verbesserung von M4. „Von einem Roboter wie diesem würde man sich unendlich viel wünschen“, sagt Ramezani. „Zum Beispiel … es braucht nicht viel, um die bestehenden Fähigkeiten von M4 auf die Fortbewegung unter Wasser mithilfe seiner Quadrocopter zu erweitern.“ In der Zwischenzeit arbeiten sie auch weiterhin daran, die bestehenden Mobilitätsmodi von M4 effizienter zu gestalten.
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Die Finanzierung des M4-Projekts erfolgte durch das Jet Propulsion Lab der NASA und die National Science Foundation. Die Forscher gehen davon aus, dass multimodale Roboter bei zukünftigen Weltraumforschungen eine große Rolle spielen werden. Kürzlich hat die NASA ein Luftfahrzeug, den winzigen Hubschrauber Ingenuity, in den Marsrover Perseverance integriert, um als Scout für das größere Fahrzeug zu fungieren, und es war ein großer Erfolg, betont Ramezani.