Tausendfüßler sind für ihren wackeligen Gang bekannt. Mit ihren Dutzenden bis Hunderten von Beinen können sie jedes Terrain durchqueren, ohne anzuhalten.
“Wenn man einen wuselnden Tausendfüßler sieht, sieht man im Grunde ein Tier, das in einer Welt lebt, die sich sehr von unserer Bewegungswelt unterscheidet”, sagt Daniel Goldman, der Dunn Family Professor in der School of Physics. “Unsere Bewegung wird weitgehend von der Trägheit beherrscht. Wenn ich mein Bein schwinge, lande ich auf meinem Fuß und bewege mich vorwärts. Aber in der Welt der Tausendfüßler hören sie im Grunde sofort auf, sich zu bewegen, wenn sie aufhören, mit ihren Körperteilen und Gliedmaßen zu wackeln.”
Ein Team von Physikern, Ingenieuren und Mathematikern am Georgia Institute of Technology wollte herausfinden, ob die vielen Gliedmaßen für die Fortbewegung in dieser Welt hilfreich sein könnten und nutzte diese Art der Fortbewegung zu ihrem Vorteil. Sie entwickelten eine neue Theorie der mehrbeinigen Fortbewegung und erstellten vielbeinige Robotermodelle. Dabei entdeckten sie, dass der Roboter mit redundanten Beinen sich über unebene Oberflächen bewegen kann, ohne zusätzliche Sensor- oder Steuerungstechnik, wie es die Theorie vorhersagte.
Diese Roboter können sich über komplexes, unebenes Gelände bewegen – und es besteht die Möglichkeit, sie in der Landwirtschaft, der Weltraumforschung und sogar bei Such- und Rettungsaktionen einzusetzen.
Die Forscher präsentierten ihre Arbeit in den Papieren “Multilegged Matter Transport: A Framework for Locomotion on Noisy Landscapes” (Ein Rahmen für die Fortbewegung in lauten Landschaften) in der Zeitschrift Science vom Mai und “Self-Propulsion via Slipping: Frictional Swimming in Multilegged Locomotors” (Reibungsschwimmen in mehrbeinigen Fortbewegungsmitteln) in Proceedings of the National Academy of Sciences im März.
Ein Bein hoch
Für den Science-Artikel ließen sich die Forscher von der Kommunikationstheorie des Mathematikers Claude Shannon leiten, die zeigt, wie man Signale zuverlässig über Entfernungen hinweg übertragen kann, um zu verstehen, warum ein mehrbeiniger Roboter bei der Fortbewegung so erfolgreich war. Die Kommunikationstheorie besagt, dass eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass eine Nachricht auf einer verrauschten Leitung von Punkt A nach Punkt B gelangt, darin besteht, sie nicht als analoges Signal zu senden, sondern sie in diskrete digitale Einheiten zu zerlegen und diese Einheiten mit einem geeigneten Code zu wiederholen.
“Wir haben uns von dieser Theorie inspirieren lassen und versucht herauszufinden, ob Redundanz bei der Beförderung von Materie hilfreich sein könnte”, sagt Baxi Chong, ein Postdoktorand der Physik. “Also haben wir dieses Projekt gestartet, um zu sehen, was passieren würde, wenn wir mehr Beine am Roboter hätten: vier, sechs, acht und sogar 16 Beine.”
Ein Team unter der Leitung von Chong, zu dem auch Daniel Irvine, Postdoktorand an der School of Mathematics, und Professor Greg Blekherman gehören, entwickelte eine Theorie, die besagt, dass das Hinzufügen von Beinpaaren die Fähigkeit des Roboters erhöht, sich robust über schwierige Oberflächen zu bewegen – ein Konzept, das sie räumliche Redundanz nennen. Diese Redundanz sorgt dafür, dass die Beine des Roboters allein erfolgreich sind, ohne dass Sensoren zur Interpretation der Umgebung benötigt werden. Wenn ein Bein versagt, hält ihn die Vielzahl der Beine trotzdem in Bewegung. So wird der Roboter zu einem zuverlässigen System, das sich selbst und sogar eine Last in schwierigen oder “lauten” Landschaften von A nach B transportiert. Das Konzept ist vergleichbar mit der Pünktlichkeit, die beim Transport auf Rädern gewährleistet werden kann, wenn das Gleis oder die Schiene glatt genug ist, ohne dass die Umgebung so gestaltet werden muss, dass diese Pünktlichkeit entsteht.
“Bei einem fortschrittlichen zweibeinigen Roboter sind normalerweise viele Sensoren erforderlich, um ihn in Echtzeit zu steuern”, so Chong. “Bei Anwendungen wie der Suche und Rettung, der Erkundung des Mars oder sogar bei Mikrorobotern besteht jedoch die Notwendigkeit, einen Roboter mit begrenzter Sensorik zu steuern. Es gibt viele Gründe für eine solche sensorlose Initiative. Die Sensoren können teuer und empfindlich sein, oder die Umgebung kann sich so schnell ändern, dass die Reaktionszeit von Sensor und Controller nicht ausreicht.
Um dies zu testen, führte Juntao He, ein Doktorand der Robotik, eine Reihe von Experimenten durch, bei denen er und Daniel Soto, ein Masterstudent an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Terrains bauten, um eine uneinheitliche natürliche Umgebung zu imitieren. Anschließend testete er den Roboter, indem er die Anzahl der Beine jedes Mal um zwei erhöhte, beginnend mit sechs und schließlich auf 16. Mit zunehmender Anzahl der Beine konnte sich der Roboter agiler über das Gelände bewegen, auch ohne Sensoren[PGR1] , wie es die Theorie voraussagte. Schließlich testeten sie den Roboter im Freien auf echtem Terrain, wo er sich in einer Vielzahl von Umgebungen bewegen konnte.
“Es ist wirklich beeindruckend zu sehen, wie gut sich der mehrbeinige Roboter sowohl im Labor als auch im Freien zurechtfindet”, so Juntao. “Während zweibeinige und vierbeinige Roboter stark auf Sensoren angewiesen sind, um komplexes Gelände zu durchqueren, nutzt unser mehrbeiniger Roboter die Redundanz der Beine und kann ähnliche Aufgaben mit offener Steuerung bewältigen.
Nächste Schritte
Die Forscher wenden ihre Entdeckungen bereits in der Landwirtschaft an. Goldman ist Mitbegründer eines Unternehmens, das diese Roboter zur Unkrautbekämpfung auf landwirtschaftlichen Flächen einsetzen will, auf denen Unkrautvernichtungsmittel unwirksam sind.
“Sie sind so etwas wie ein Roomba, aber für komplexe Böden”, sagte Goldman. “Ein Roomba funktioniert, weil er Räder hat, die auf ebenem Boden gut funktionieren. Bis zur Entwicklung unseres Frameworks konnten wir die Zuverlässigkeit der Fortbewegung auf holprigem, felsigem und mit Geröll bedecktem Terrain nicht sicher vorhersagen. Jetzt haben wir die Anfänge eines solchen Schemas, mit dem wir sicherstellen können, dass unsere Roboter ein Erntefeld in einer bestimmten Zeit überqueren.
Die Forscher wollen den Roboter auch weiterentwickeln. Sie wissen, warum der Tausendfüßler-Roboter funktioniert, aber jetzt wollen sie die optimale Anzahl von Beinen bestimmen, um eine Bewegung ohne Sensorik auf eine Weise zu erreichen, die kosteneffizient ist und dennoch die Vorteile beibehält.
“In dieser Arbeit haben wir gefragt: ‘Wie kann man die minimale Anzahl von Beinen vorhersagen, um solche Aufgaben zu erfüllen?'” sagte Chong. “Derzeit können wir nur beweisen, dass die Mindestanzahl existiert, aber wir kennen die genaue Anzahl der benötigten Beine nicht. Außerdem müssen wir den Kompromiss zwischen Energie, Geschwindigkeit, Leistung und Robustheit in einem so komplexen System besser verstehen.”
