Realität vor Ort gestaltet das Robotikdesign neu

Auke Ijspeert und sein Team im BioRobotics Lab (BioRob) an der School of Engineering hatten ihre bioinformierten Roboter schon früher in natürlicher Umgebung eingesetzt, allerdings eher zu Demonstrations- als zu wissenschaftlichen Zwecken. Tests der Roboterfunktionen wurden in der Regel im Labor durchgeführt, z. B. mit Hilfe von Röntgenvideos, um Roboterbewegungen mit den Tieren zu vergleichen, die das Design inspiriert haben.

Das änderte sich jedoch im November 2015, als Ijspeert und seine Kollegen von den Produzenten der British Broadcasting Corporation (BBC) gebeten wurden, zwei lebensechte Roboter zu entwickeln: einen, der ein Krokodil, und einen, der einen Waran nachahmt. Beide Arten kommen an den Ufern des Nils in Uganda vor, und die Aufgabe des BioRob bestand darin, in weniger als einem Monat kamerataugliche Roboter zu entwerfen und herzustellen, die sich unauffällig in diese Umgebung einfügen, um das Nistverhalten und die Interaktionen der Reptilien zu erfassen.

Der Roboter führt einen Übergang zwischen Land und Wasser des Nils aus © Simon Niblett, Rob Pilley, Kamilo Melo et Tomislav Horvat CC BY-SA

Technische Anpassungen

Die Forschenden waren aufgrund ihrer Erfahrungen mit Robotern in Streckhaltung wie dem Pleurobot und dem Orobot zuversichtlich, dass sie diese Aufgabe meistern würden. Die erste Herausforderung bestand jedoch darin, Form und Funktion in Einklang zu bringen: Die im Rahmen der Krock-Plattform entwickelten Roboter – SpyCroc und SpyLizard – mussten sich perfekt an echte Krokodile und Warane anpassen, um deren Interaktionen zu filmen, weshalb ein höherer Prozentsatz ihres Gewichts auf Kameras und hyperrealistische Haut entfallen musste.

Der Roboter wurde nach der Reparatur jeden Tag in der Lodge getestet. © Tomislav Horvat und Kamilo Melo CC BY-SA

«Ein Teil des Entwurfsprozesses bestand darin, vorauszusehen, was später passieren könnte, und den Entwurf so weit wie möglich zu vereinfachen, damit die Roboter vor Ort leichter zu reparieren sind, wo der Zugang zu Spezialteilen und -ausrüstung begrenzt ist», erklärt Kamilo Melo, ein ehemaliger BioRob-Postdoktorand, der jetzt das Biorobotik-Unternehmen KM-RoBoTa leitet. Um dies zu erreichen, verliessen sich die Forschenden auf kostengünstige Komponenten, die sich leicht austauschen oder ersetzen lassen.

Vor Ort in Uganda stellten die Feldbedingungen selbst unerwartete Herausforderungen dar. Bei 38 Grad Celsius stiegen die Temperaturen in den Robotern auf bis zu 80 Grad Celsius an, so dass sie überhitzten und sich abschalteten. Daher mussten die Forschenden schnell arbeiten, bevor die Tagestemperatur anstieg, und Ausweichmöglichkeiten finden, z. B. den Betrieb der Roboter in kurzen Schüben, die von Kühlphasen unterbrochen wurden. Sie mussten das Design des Roboters so weit wie möglich rationalisieren, um die Anzahl der Verbindungsteile zu minimieren, denn mehr Verbindungen bedeuteten mehr Zugangspunkte für Sand, Staub und Feuchtigkeit. Und was zunächst als Stärke der Krock-Konstruktion erschien – wie etwa die strukturelle Steifigkeit – erwies sich als Nachteil, da das unwegsame Gelände die unflexiblen Komponenten einfach zum Brechen bringen würde.

An den Ufern des Nils in Uganda, vermeidet Krock eine Überhitzung. © Tomislav Horvat et Kamilo Melo, 2016, CC-BY 4

Das BioRob-Labor hat kürzlich die gewonnenen Erkenntnisse als Open-Source-Ressource für Forschung und Methodik in Wissenschaft Robotik veröffentlicht. Sie hoffen, dass ihre Erfahrungen zusammen mit den Konstruktionsspezifikationen unter Verwendung allgemein verfügbarer und einfacher, aber robuster Komponenten anderen Forschenden dabei helfen werden, ihre Plattform für ihre eigenen Projekte nachzubauen.

Bau eines besseren Bioroboters

Auf der Grundlage ihrer Erfahrungen in Afrika entwickelten die Forschenden eine verbesserte Version der Krock-Plattform, Krock-2, die robuster, flexibler und wasserdicht ist. Da weniger aufwendige Tarnungselemente wie eine realistische Latexhaut erforderlich sind, hat der verbesserte Roboter ein grosses Potenzial für Katastrophenschutz- und Rettungsanwendungen.

Die Erfahrung hat das BioRob-Labor auch zu neuen Forschungsansätzen inspiriert: «Ein grosses Thema, das die reine Robotik und die Neurowissenschaften verbindet, ist die Entwicklung einer taktilen Haut mit Sensoren, die Interaktionskräfte mit der Umgebung erkennen können», sagt Ijspeert. «In der Robotik im Allgemeinen sind wir sehr gut darin, die Propriozeption nachzubilden, aber wir sind sehr schlecht darin, alle Sinne, die wir in der Haut haben, wie Wärme und Berührung, nachzubilden. Diese Technologie ist immer noch eine grosse Herausforderung, und wir sind daran interessiert, sie in unsere salamanderähnlichen Roboter zu integrieren.»

Der Roboter bewegt sich im Labor, nachdem seine Steuerung eingestellt wurde. © Tomislav Horvat and Kamilo Melo CC BY-SA

Auf der industriellen Seite nutzt Melo seine Erfahrungen mit der Krock-Plattform, um bei KM-RoBoTa die Zuverlässigkeit von Robotern zu erforschen: «Aus der Sicht des Benutzers halte ich die Zuverlässigkeit für sehr wichtig, und auf der Grundlage dessen, was wir im Feld gelernt haben, konzentrieren wir uns mehr darauf, wie wir sicherstellen können, dass Roboter nicht ausfallen, selbst wenn es regnet oder unter unvorhersehbaren Bedingungen», sagt er.

Doch sowohl für Ijspeert als auch für Melo sind die technischen Verbesserungen der Krock-Plattform, die sich aus der Erprobung im Feld ergeben, nur ein Bonus. Sie erklären, dass sie mehr daran interessiert sind, die Erfahrungen in Uganda zu nutzen, um bioinformierte Roboter als wissenschaftliche Werkzeuge zu verbessern – zum Beispiel in der Roboterpaläontologie, um die Fortbewegung ausgestorbener Arten wie Dinosaurier zu verstehen. Zwar können Knochen und Fossilien zur Erstellung von Animationen und zur Untersuchung der Kinematik verwendet werden, doch um die dynamischen Bewegungen der Dinosaurier zu verstehen, muss ein physikalisches Modell konstruiert werden, das denselben physikalischen Gesetzen unterliegt wie die Tiere aus der Vergangenheit.

«Alles, was wir getan haben, um die Leistung von Robotern in der Praxis zu verbessern, ist sehr aufregend, weil es für die Suche und Rettung und andere Anwendungen nützlich ist. Aber im BioRob-Labor besteht unser Hauptbeitrag darin, mit Forschenden aus den Neurowissenschaften, der Biomechanik und der Paläontologie zusammenzuarbeiten, um Roboter als physikalisches Werkzeug für wissenschaftliche Fragen zu nutzen», sagt Ijspeert.

«Mit unseren Open-Source-Beiträgen in dieser Studie hoffen wir, solche Plattformen erschwinglicher zu machen und gleichzeitig präzise genug für wissenschaftliche Zwecke.»