Verdrehte Roboter navigieren komplexe Labyrinthe ohne Menschen oder Software

Ein Team von Forschern an der North Carolina State University und der University of Pennsylvania hat weiche Roboter entwickelt, die komplexe Umgebungen ohne menschliche Intervention oder Computer-Software navigieren können.

Der Artikel mit dem Titel “Twisting for Soft Intelligent Autonomous Robot in Unstructured Environments” wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Physikalische Intelligenz demonstrieren

Jie Yin ist der entsprechende Autor des Forschungsartikels und Associate Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State.

“Diese weichen Roboter demonstrieren ein Konzept, das als ‘physikalische Intelligenz’ bezeichnet wird, was bedeutet, dass die Struktur des Designs und die intelligenten Materialien es dem weichen Roboter ermöglichen, verschiedene Situationen zu navigieren, im Gegensatz zu computergesteuerter Intelligenz”, sagt Yin.

Die weichen Roboter wurden mit flüssigen Kristall-Elastomeren in der Form eines verdrehten Bandes konstruiert. Wenn das Band auf einer Oberfläche platziert wird, die mindestens 55 Grad Celsius hat, zieht sich der Teil des Bandes, der die Oberfläche berührt, zusammen. Gleichzeitig bleibt der Teil des Bandes, der der Luft ausgesetzt ist, gleich. Dies führt zu einer Rollbewegung, und je wärmer die Oberfläche wird, desto schneller rollt der Roboter.

“Dies ist bereits mit glatten Stangen gemacht worden, aber diese Form hat einen Nachteil – wenn sie auf ein Objekt trifft, dreht sie einfach an Ort und Stelle”, sagt Yin. “Der weiche Roboter, den wir in der Form eines verdrehten Bandes gemacht haben, kann diese Hindernisse ohne menschliche oder computerbasierte Intervention überwinden.”

Navigieren ohne Software

Der Roboter kann dies auf zwei Arten ausführen. Wenn ein Ende des Bandes auf ein Objekt trifft, dreht es sich leicht, um das Hindernis zu umfahren. Wenn der mittlere Teil des Roboters auf ein Objekt trifft, “knallt” es, was eine schnelle Freisetzung der gespeicherten Deformationsenergie ist, die das Band leicht sprungartig bewegt und es neu ausrichtet, bevor es landet. Das Band kann mehr als einmal knallen, bevor es die richtige Ausrichtung findet, die es ermöglicht, das Hindernis zu überwinden.

“In diesem Sinne ist es ähnlich wie die Roboter-Staubsauger, die viele Menschen in ihren Häusern verwenden”, sagt Yin. “Außer dass der weiche Roboter, den wir gemacht haben, Energie aus seiner Umgebung bezieht und ohne Computerprogrammierung arbeitet.”

Yao Zhao ist der erste Autor des Artikels und ein Postdoktorand an der NC State.

“Die beiden Aktionen, Drehen und Knallen, die es dem Roboter ermöglichen, Hindernisse zu überwinden, arbeiten auf einem Gradienten”, sagt Zhao. “Das stärkste Knallen tritt auf, wenn ein Objekt die Mitte des Bandes berührt. Aber das Band wird auch knallen, wenn ein Objekt das Band außerhalb der Mitte berührt, es ist nur weniger stark. Und je weiter man von der Mitte entfernt ist, desto weniger ausgeprägt ist das Knallen, bis man den letzten Fünftel der Länge des Bandes erreicht, der kein Knallen produziert.”

Das Team von Forschern führte mehrere Experimente durch, um zu zeigen, wie der bandförmige Roboter verschiedene labyrinthartige Umgebungen navigieren kann. Sie demonstrierten auch, dass die weichen Roboter in Wüstenumgebungen wirksam arbeiten würden, da sie Hänge aus lockerem Sand hinauf- und hinabsteigen können.

“Dies ist interessant und Spaß, aber wichtiger ist, dass es neue Erkenntnisse darüber liefert, wie wir weiche Roboter entwerfen können, die in der Lage sind, Wärmeenergie aus natürlichen Umgebungen zu gewinnen und komplexe, unstrukturierte Umgebungen wie Straßen und harte Wüsten autonom zu überwinden”, sagt Yin.

Der Artikel wurde auch von den NC State-Doktoranden Yinding Chi, Yaoye Hong und Yanbin Li sowie von Shu Yang, der Joseph Bordogna Professor für Materialwissenschaft und -technik an der University of Pennsylvania, mitverfasst.