Kollaborative vierbeinige Schwarmroboter meistern anspruchsvolles Gelände gemeinsam

In den frühen Tagen der Quarantäne nutzte Notre Dame Professorin und Robotikingenieurin Yasemin Ozkan-Aydin die Zeit zu Hause, um Roboter zusammenzubauen.

Ozkan-Aydin entwickelte kollaborative Beinsysteme, die komplexes Gelände – als Team – bewältigen.

Inspiration: Ameisenkolonien

Um sich auf rauem Gelände und in engen Räumen zu bewegen, schlug Ozkan-Aydin vor, dass eine physische Verbindung zwischen Robotern die Mobilität verbessern könnte. Wenn ein einzelner Roboter beispielsweise ein Objekt nicht allein bewegen kann, warum nicht die Roboter zu einem größeren, mehrbeinigen System verbinden, um die Aufgabe zu erledigen?

Genau das tun Ameisen.

„Wenn Ameisen Objekte sammeln oder transportieren, und eine auf ein Hindernis stößt, arbeitet die Gruppe kollektiv, um dieses Hindernis zu überwinden. Wenn es beispielsweise eine Lücke im Pfad gibt, bilden sie eine Brücke, damit die anderen Ameisen darüber gelangen können – und das ist die Inspiration für diese Studie“, sagte Ozkan-Aydin in einer aktuellen Pressemitteilung [Link]. „Durch Robotik können wir ein besseres Verständnis der Dynamik und kollektiven Verhaltensweisen dieser biologischen Systeme gewinnen und erforschen, wie wir diese Art von Technologie in Zukunft nutzen könnten.“

Roboter-Hardware

Mit einem 3D-Drucker baute Ozkan-Aydin vierbeinige Roboter mit 15 bis 20 Zentimetern Länge.

Jeder Roboter enthielt einen Lithium-Polymer-Akku, einen Mikrocontroller und drei Sensoren. Neben einem Lichtsensor ermöglichen zwei magnetische Tastsensoren an Front und Heck jedes Roboters die Verbindung der Systeme.

Vier flexible Beine reduzierten den Bedarf an zusätzlichen Sensoren und Teilen und gaben den Robotern ein Maß an mechanischer Intelligenz, was bei der Interaktion mit rauem oder unebenem Gelände half.

„Man braucht keine zusätzlichen Sensoren, um Hindernisse zu detektieren, weil die Flexibilität in den Beinen dem Roboter hilft, einfach daran vorbeizubewegen“, sagte Ozkan-Aydin. „Sie können Lücken in einem Pfad testen, mit ihren Körpern eine Brücke bauen; Objekte einzeln bewegen; oder sich verbinden, um Objekte kollektiv in verschiedenen Umgebungen zu bewegen, nicht unähnlich Ameisen.“

Entstehung während der Pandemie

Ozkan-Aydin begann ihre Forschung für die Studie Anfang 2020, als weite Teile des Landes aufgrund der COVID-19-Pandemie geschlossen waren. Nach dem Druck jedes Roboters testete Ozkan-Aydin die insekteninspirierten Systeme in ihrem Garten oder auf dem Spielplatz mit ihrem Sohn.

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Die Notre Dame Professorin führte Experimente auf verschiedenen Geländen durch, sowohl natürliche als auch künstliche. Die Roboter manövrierten durch und um Gras, Mulch, Blätter und Eicheln sowie Schaumtreppen, Shag-Teppich und das raue Gelände von rechteckigen Holzblöcken, die auf Spanplatten geklebt waren.

Kooperatives Verhalten

Wenn eine einzelne Einheit steckenbleibt, sendet sie ein Licht an zusätzliche Roboter, um um Hilfe zu bitten. Beim Erkennen des Lichts verbinden sich die Helfer-Roboter und bieten Unterstützung – einen Schubs, während sie gemeinsam laufen – um Hindernisse erfolgreich gemeinsam zu überwinden.

„Nachdem der Helfer-Roboter den Sucher-Roboter durch Verfolgen des Lichtgradienten gefunden hat, wird er von hinten angebracht und die Tastsensoren an beiden Robotern informieren den Roboter über den Verbindungsstatus“, sagte Prof. Ozkan-Aydin zu Tech Briefs.

Das Forschungsteam veröffentlichte ihre Ergebnisse kürzlich in Science Robotics [Link].

Künftige Forschung wird sich auf die Verbesserung der Steuerungs-, Sensor- und Energiefähigkeiten des Systems konzentrieren.

Q&A mit Yasemin Ozkan-Aydin

Tech Briefs: Wie funktionieren die magnetischen Tastsensoren – was tun sie, wie werden sie gesteuert?

Yasemin Ozkan-Aydin: Jeder Roboter hat zwei magnetische Konnektoren, die zwei Neodym-Seltenerdmagnete mit N-S-Polarität an Front und Heck des Roboters umfassen. Der magnetische Konnektor am Heck ist am Schwanz befestigt und seine Polarität kann umgekehrt werden (S-N) durch Anheben des Schwanzes. So können sich zwei Roboter verbinden, wenn der Schwanz oben ist, und trennen, wenn der Schwanz unten ist.

Tech Briefs: Wenn ein „Hilfe“-Signal an einen Roboter gesendet wird, wie weiß der Helfer-Roboter, was zu tun ist und welche Aktionen zu unternehmen sind?

Yasemin Ozkan-Aydin: Das Hilfe-Signal – Einschalten des hellen LED-Lichts am Heck des Roboters – wird an die Helfer-Roboter gesendet, wenn der Sucher-Roboter auf Treppen oder rauem Gelände steckenbleibt. Der steckengebliebene [Status] wird durch die Lichtintensität detektiert, die vom Sucher-Roboter gemessen wird. Wenn der Roboter steckenbleibt, kann er sich nicht zum Ziel (Lichtquelle) bewegen, und die Lichtintensität ändert sich nicht. Die Helfer-Roboter warten immer auf das Signal vom Sucher-Roboter.

Natürlich gibt es Limitierungen in unserem System. Zum Beispiel, wenn ein Helfer-Roboter außerhalb des Strahls eines Sucher-Roboters fällt, kann der Helfer-Roboter ihn nicht finden. Im zukünftigen Design sollte die Kommunikation zwischen Robotern durch andere Sensortypen wie GPS verbessert werden. Allerdings werden die Roboter mit zunehmender Systemkomplexität schwieriger zu steuern. Hier spielt mechanische Intelligenz eine wichtige Rolle.

Tech Briefs: Was bedeutet „mechanische Intelligenz“ hier? Wie interagieren sie genau? Was passiert, wenn ein Roboter an einem Hindernis hängen bleibt? Wie wird ein Signal an zusätzliche Roboter gesendet?

Yasemin Ozkan-Aydin: Mechanische Intelligenz bedeutet, dass ein Mechanismus auf die Umgebung reagiert, sich an neue externe Situationen anpasst oder automatisch Funktionen ausführt, ohne sensorische Rückmeldung oder Steuerung durch einen Controller. Jeder Roboter hat vier richtungsflexible Beine und einen Schwanz. Wenn das Bein oder der Schwanz auf ein Hindernis trifft, biegt es sich rückwärts und überquert das Hindernis. Nachdem es das Hindernis passiert hat, zieht eine Rückholfeder das Bein in seine ursprüngliche Position. Dieses passive Biegen erhöht auch die Kontaktfläche, was es einem einzelnen Bein oder dem Schwanz ermöglicht, mit einer Änderung der Geländerauheit, dem Verlust von Bodenkontakt während der Standphase oder dem Treffen eines Hindernisses während der Schwungphase umzugehen.

Alle Roboter haben zwei Schalter wie Tastsensoren, um den Verbindungsstatus zu detektieren: einen an der Front und einen an der Rückseite des Roboters. Wenn zwei Roboter verbunden sind, berührt der kuppelförmige Pusher am Schwanz beide Sensoren am Schwanz des vorderen Roboters und am Kopf des hinteren Roboters. Obwohl es keine High-Level-Kommunikation (z. B. drahtloses Senden von GPS-Koordinaten) zwischen Robotern gibt, erlauben die Tastsensoren jedem Roboter zu wissen, ob er mit anderen Robotern verbunden ist. Neben den Tastsensoren gibt es einen Lichtsensor oder Phototransistor an der vorderen unteren Partie jedes Roboters. Dieser Sensor misst die Lichtintensität der Umgebung und bietet lokale Kommunikation zwischen Robotern.

Tech Briefs: Könnten Sie ein oder zwei praktische Realwelt-Anwendungen verstärken – was könnte der Schwarm erreichen und wie?

Yasemin Ozkan-Aydin: Schwärme beiniger Roboter können reale kooperative Aufgaben ausführen wie Such- und Rettungseinsätze, Landwirtschaftsanwendungen (wie Pflanzen und Ernten, Umweltüberwachung und Ernteinspektion etc.), kollektiven Objekttransport und Weltraumexploration.

Tech Briefs: Bezüglich Energieversorgung – könnten Sie sich eine Art Energy Harvesting vorstellen, basierend auf der Bewegung?

Yasemin Ozkan-Aydin: Das ist ein sehr wichtiger Punkt, der im zukünftigen Design verbessert werden muss. Vielleicht kann ein Energy-Harvesting-Mechanismus (wie piezoelektrische Materialien) an den Beinen der Roboter angebracht werden, und sie können Energie beim Gehen ernten, oder jeder Roboter kann ein Solarpanel haben, um ihre Batterien zu laden. Eine andere Option ist, dass nur einer der Roboter mit einem Energy-Harvesting-Mechanismus ausgestattet wird, um die Gesamtkosten zu reduzieren, und er die Energie an die anderen Roboter überträgt.

Tech Briefs: Was hat diese Anstrengung inspiriert, besonders natürliche Vorbilder?

Yasemin Ozkan-Aydin: Diese Studie ist inspiriert von vielbeinigen Tieren wie Tausendfüßlern, die sich mit flexiblen Körpern und Gliedmaßen effektiv in vielfältigem Gelände bewegen können, und Ameisenkollektiven, die sich selbst organisieren und Strukturen wie Brücken schaffen können, um Probleme zu lösen.

Tech Briefs: Wie suchen Sie die Roboter zu verbessern?

Yasemin Ozkan-Aydin: Derzeit sind die Roboter durch begrenzte Kommunikationsreichweite eingeschränkt. Mit verbesserter Kommunikation zwischen Individuen erwarten wir, dass die Einheiten (Vierbeiner) im Schwarm sich richtig koordinieren und ihre Gänge gemäß Umweltbedingungen oder ausgeführten Aufgaben ändern können. Zusätzlich können die Dimensionen der Roboter gemäß den auszuführenden Aufgaben skaliert werden.

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