Ingenieur baut vierteilige Schwarmroboter

Ein Forscher an der University of Notre Dame hat vierteilige Roboter entwickelt, die sich durch schwierige Umgebungen bewegen und komplexe Aufgaben als Schwarm ausführen können.

Die Forschung wurde in Science Robotics veröffentlicht.

Yasemin Ozkan-Aydin ist Assistant Professor für Elektrotechnik an der Universität. Sie ist die Erfinderin des neuen Roboters.

“Vierbeinige Roboter können sich in schwierigen Umgebungen wie rauer Terrain und engen Räumen bewegen, und die Verwendung von Gliedmaßen bietet effektive Körperunterstützung, ermöglicht schnelle Manövrierfähigkeit und erleichtert das Überwinden von Hindernissen”, sagte Ozkan-Aydin. “Allerdings stehen vierbeinige Roboter vor einzigartigen Mobilitätsproblemen in terrestrischen Umgebungen, was zu einer verringerten Fortbewegungsleistung führt.”

Mobilität verbessern

Ozkan-Aydin vermutete, dass eine physische Verbindung zwischen einzelnen Robotern die Mobilität eines terrestrischen vierbeinigen Kollektivsystems verbessern könnte. Durch die physische Verbindung einzelner Roboter miteinander, um ein vierteiliges System zu bilden, können sie kollektiv besser überwinden, als ein einzelner Roboter, der kleine Aufgaben ausführt.

“Wenn Ameisen Objekte sammeln oder transportieren, arbeitet die Gruppe kollektiv, um Hindernisse zu überwinden. Wenn es eine Lücke im Pfad gibt, bilden sie beispielsweise eine Brücke, damit die anderen Ameisen darüber hinweggehen können – und das ist die Inspiration für diese Studie”, sagte sie. “Durch die Robotik können wir ein besseres Verständnis für die Dynamik und kollektiven Verhaltensweisen dieser biologischen Systeme gewinnen und erforschen, wie wir diese Art von Technologie in der Zukunft nutzen können.”

Die Roboter bauen

Ozkan-Aydin nutzte einen 3D-Drucker, um die vierbeinigen Roboter zu konstruieren, die 15 bis 20 Zentimeter lang sind. Jeder besteht aus einer Lithium-Polymer-Batterie, einem Mikrocontroller und drei Sensoren. Es gibt einen Lichtsensor an der Front und zwei magnetische Berührungssensoren an der Front und Rückseite, die es ihnen ermöglichen, miteinander zu verbinden.

Durch die Hinzufügung von vier flexiblen Beinen benötigen die Roboter nicht so viele Sensoren und Teile, und es hilft ihnen, mit rauen oder unebenen Terrains zu interagieren.

“Sie benötigen keine zusätzlichen Sensoren, um Hindernisse zu erkennen, da die Flexibilität in den Beinen dem Roboter hilft, direkt an ihnen vorbeizugehen”, sagte Ozkan-Aydin. “Sie können Lücken in einem Pfad testen, eine Brücke mit ihren Körpern bauen; Objekte einzeln bewegen; oder sich verbinden, um Objekte kollektiv in verschiedenen Umgebungen zu bewegen, nicht unähnlich Ameisen.”

Die Roboter wurden auf verschiedenen Oberflächen getestet, wie Gras, Mulch, Blättern und Eicheln. Experimente auf flachem Boden umfassten Sperrholz und Treppen mit Isoliermaterial, und andere Tests umfassten shag-Teppich und rechteckige Holzblöcke.

Wenn eine einzelne Einheit stecken blieb, sandte sie ein Signal an zusätzliche Roboter. Diese Roboter verbanden sich dann, um sich gegenseitig durch Hindernisse zu unterstützen, während sie kollektiv arbeiteten.

Laut Ozkan-Aydin könnte die neue Forschung bei der Entwicklung von kostengünstigen vierbeinigen Schwärmen helfen, die auf unvorhergesehene Situationen reagieren und kooperative Aufgaben wie Such- und Rettungsmissionen, kollektiven Objekttransport und Weltraumforschung ausführen können. Sie wird sich nun auf die Verbesserung der Steuerung, der Sensoren und der Leistungsfähigkeit der Systeme konzentrieren.

“Für funktionale Schwarm-Systeme muss die Batterietechnologie verbessert werden”, sagte sie. “Wir benötigen kleine Batterien, die mehr Leistung liefern können, idealerweise mehr als 10 Stunden. Andernfalls ist die Verwendung dieses Systems in der realen Welt nicht nachhaltig.” Weitere Einschränkungen umfassen die Notwendigkeit von mehr Sensoren und leistungsstärkeren Motoren – während die Größe der Roboter klein bleibt.

“Sie müssen überlegen, wie die Roboter in der realen Welt funktionieren, also müssen Sie überlegen, wie viel Leistung erforderlich ist, die Größe der Batterie, die Sie verwenden. Alles ist begrenzt, also müssen Sie Entscheidungen für jeden Teil der Maschine treffen.”