Bionisches Design für Schwarmroboter
Ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine neue Generation robuster Roboterfische vorgestellt. Die künstlichen Fische sind ihren natürlichen Vorbildern nachempfunden und sollen künftig in Schwärmen auf Unterwasserpatrouille gehen. Auch in Österreich analysieren Forscher Tierschwärme, um Robotern auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse zu besserer Kommunikation zu verhelfen.
Am Dienstag haben Kamal Youcef-Toumi und Pablo Valdivia Y Alvarado, Ingenieure an der renommierten US-Universität Massachusetts Institute of Technology (MIT), ihre neuen Roboterfische vorgestellt. Schwimmende Roboter sind zwar nicht neu - am MIT selbst wurde beispielsweise schon 1994 der "Robotuna" präsentiert -, neu sind jedoch das auf die notwendigsten Komponenten reduzierte Design der Schwimm-Bots und ihre Fähigkeit, sich zu Schwärmen vernetzen zu lassen.
Im Gegensatz zum Robo-Thunfisch aus dem Jahr 1994 sind die ersten Prototypen der neuen Unterwasser-Bots statt 120 nur 30 Zentimeter lang und bestehen statt aus 2.843 Einzelteilen und sechs Motoren nur aus zehn Komponenten, die von einem einzelnen Motor vorwärtsbewegt werden. Der Motor, dessen Leistungsaufnahme mit 2,5 bis fünf Watt recht moderat ausfällt, versetzt den Kunststoffkörper des Robofischs in Wellenbewegungen - ein Prinzip, das die Forscher der Natur abgeschaut haben.
Valdivia Y Alvarado hat in seiner Doktorarbeit ein Modell entwickelt, mit dem sich unter Berücksichtigung der zu erreichenden Geschwindigkeit des Fischroboters die optimalen Eigenschaften des Materials für seine Hülle errechnen lassen. Die meisten Schwimmtechniken echter Fische ließen sich damit nachbilden, so der Ingenieur.
Die Hülle des neuesten Prototyps ihrer Schwimmroboter haben Youcef-Toumi und Valdivia Y Alvarado aus einem Stück flexiblen Kunststoffs gearbeitet. Nach dem verwendeten Prinzip ließen sich nicht nur künstliche Fische, sondern auch Komponenten für andere Roboter und Prothesen für Menschen herstellen, glauben die Entwickler.
Die ersten Prototypen der neuen MIT-Fische imitieren die Fortbewegungstechnik von Lachsen und Barschen. Diese hat den Vorteil, dass die Roboter schnell schwimmen können, allerdings leidet dabei die Manövrierfähigkeit. Echte Fische können im Wasser bis zu zehn Körperlängen pro Sekunde zurücklegen, der jüngste MIT-Prototyp schafft derzeit nur eine. Gegenüber älteren Roboterfisch-Generationen stellt das allerdings schon einen Fortschritt dar. Künftige Fischroboter sollen sich an der Fortbewegungsweise von Thunfischen orientieren, die Forscher hoffen, damit noch höhere Geschwindigkeiten erzielen zu können.
Roboterschwärme auf Unterwasserpatrouille
Aufgrund ihrer einfach aufgebauten Konstruktion haben Vorläufer des aktuellen MIT-Fisch-Bots schon über vier Jahre unter Laborbedingungen im Süßwassertank "überlebt". Die Energie für den Antrieb kommt derzeit allerdings noch aus einer externen Quelle und muss umständlich über Kabel zugeführt werden. Nächster logischer Schritt in der Entwicklung ist damit die Integration einer kleinen und leistungsfähigen Bordbatterie.
Mittelfristig planen die MIT-Forscher, die Robofische zu Schwärmen zusammenzuschalten, die gemeinsam in Tiefseeregionen operieren können, die bisher für Tauchroboter noch nicht erreichbar sind. Diese Schwärme sollen beispielsweise Unterwasserpipelines auf Schäden hin kontrollieren und Umweltschäden entdecken können.
Von Insekten lernen
Zu Roboterschwärmen wird auch in Österreich intensiv geforscht. Am Artificial Life Laboratory der Grazer Karl-Franzens-Universität arbeiten Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen wie Robotik, Biologie und Informatik gemeinsam daran, die Kommunikation beispielsweise von Ameisen- oder Bienenvölkern zu entschlüsseln und in mathematischen Modellen nachzuvollziehen.
So untersuchen die Forscher etwa, wie junge Honigbienen sich unter bestimmten Temperaturbedingungen verhalten und zu Gruppen zusammenschließen. Auch die Kommunikation von Ameisen auf der Nahrungssuche haben die Wissenschaftler analysiert, in ein Modell überführt und mit einem Schwarm aus würfelförmigen Robotern nachempfunden.
Mittels eines Java-Programms auf der Website des Teams lässt sich das Verhalten der Ameisen-Bots auch auf dem heimischen PC simulieren. Die virtuellen Ameisen schwärmen aus, finden Nahrung und legen dann für ihre Artgenossen Spuren, denen sie folgen können. Es kommt aber immer wieder vor, dass einzelne "Ameisen" die Pfade verlassen und auf der Suche nach neuen Nahrungsquellen ausschwärmen. Sind die erschlossenen Nahrungsquellen erschöpft, verschwinden auch die virtuellen Pheromonspuren.