Roboter-Bienen: Forscher entwickeln vollständig omnidirektionales Flugroboter

In einer Weltneuheit haben Forscher an der Washington State University (WSU) eine Roboter-Biene, namens Bee++, entworfen, die in der Lage ist, in alle Richtungen stabil zu fliegen, einschließlich der komplizierten Drehbewegung, die als Gier bekannt ist. Durch diesen faszinierenden Durchbruch im Bereich der Robotik, der durch eine Kombination aus innovativem Design und komplexen Steuerungsalgorithmen ermöglicht wurde, ergeben sich eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, die von künstlicher Bestäubung bis hin zu Umweltüberwachung und Rettungseinsätzen reichen.

Das Bee++-Prototyp, das aus vier Kohlenstofffasern und Mylar-Flügeln sowie vier leichten Aktuatoren besteht, die jeweils einen Flügel steuern, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Robotik dar. Es ist das erste seiner Art, das die sechs Freiheitsgrade der Bewegung erreicht, die bei fliegenden Insekten beobachtet werden. Das Team unter der Leitung von Néstor O. Pérez-Arancibia, Flaherty-Professor an der School of Mechanical and Materials Engineering der WSU, veröffentlichte seine Forschungsergebnisse in der IEEE Transactions on Robotics und präsentierte seine Ergebnisse auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation.

“Forscher versuchen bereits seit über 30 Jahren, künstliche fliegende Insekten zu entwickeln”, sagte Pérez-Arancibia. Die Schaffung dieser winzigen Roboter erfordert nicht nur ein einzigartiges Design, sondern auch die Entwicklung von fortschrittlichen Steuerungssystemen, die das Funktionieren eines Insektengehirns nachahmen. “Es ist eine Mischung aus Roboter-Design und Steuerung”, fügte er hinzu und betonte die Bedeutung der Schaffung eines “künstlichen Gehirns” für diese winzigen Roboter.

Überwindung mehrerer Einschränkungen

Das erste Werk der WSU-Gruppe war eine zweiflügelige Roboter-Biene. Allerdings war sie in ihren Bewegungen eingeschränkt. Um diese Einschränkung zu überwinden, bauten Pérez-Arancibia und seine PhD-Studenten 2019 einen vierflügeligen Roboter, der leicht genug war, um abzuheben. Der Roboter konnte komplexe Manöver ausführen, indem er seine Flügel in verschiedenen Mustern flattern ließ.

Die Einbeziehung der Giersteuerung stellte jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. “Wenn man die Gier nicht steuern kann, ist man sehr eingeschränkt”, sagte Pérez-Arancibia und erklärte, dass ohne diese Steuerung Roboter außer Kontrolle geraten, den Fokus verlieren und abstürzen. Er betonte, dass alle Freiheitsgrade der Bewegung für Ausweichmanöver oder das Verfolgen von Objekten von entscheidender Bedeutung sind.

Die Forscher ließen sich von Insekten inspirieren und entwickelten ein Design, bei dem die Flügel in einer geneigten Ebene flattern. Sie erhöhten auch die Flügelschlagfrequenz von 100 auf 160 Mal pro Sekunde. “Ein Teil der Lösung war das physische Design des Roboters, und wir haben auch einen neuen Controller entworfen – das Gehirn, das dem Roboter sagt, was zu tun ist”, fügte er hinzu.

Bei 95 mg und einer Flügelspannweite von 33 Millimetern ist die Bee++ größer als echte Bienen und kann derzeit nur etwa fünf Minuten lang autonom fliegen. Doch diese Einschränkungen haben die Stimmung des Teams nicht gedämpft. Sie arbeiten daran, andere Arten von Insektenrobotern zu entwickeln, einschließlich Kriechern und Wasserläufern.

Die Entwicklung der Bee++, die den Wert von Biomimetik und Innovation verkörpert, wurde von verschiedenen Organisationen unterstützt, darunter die National Science Foundation, DARPA, die WSU Foundation und der Palouse Club durch das Cougar Cage-Programm der WSU. Mit dieser Pionierarbeit sieht die Zukunft der Robotik hell aus, voller vielversprechender Entwicklungen.