Robotikingenieure stellen Cyborg-Kakerlaken, Roboterfliegen und mehr her

Schwere Roboter sind in ihren Möglichkeiten begrenzt. Der Bau kleinerer, beweglicherer Roboter, ähnlich wie Insekten sich bewegen und arbeiten, könnte die Fähigkeiten von Robotern erheblich erweitern.

„Wenn wir an Insektenarbeiten denken, die Tiere nicht ausführen können, inspiriert uns das dazu, darüber nachzudenken, was kleinere Roboter können und welche größeren Roboter nicht“, sagte Kevin Chen, Assistenzprofessor für Elektrotechnik am MIT.

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Die meisten Entwicklungen befinden sich in der Forschungsphase, Jahren der Vermarktung. Aber sie bieten verlockende Lösungen für eine Reihe von Branchen, darunter Notfallmaßnahmen, Landwirtschaft und Energie.

Experten sagten, die Forschung sei aus mehreren Gründen schnelllebig. Elektronische Sensoren werden kleiner und besser, zum großen Teil aufgrund der Smartwatch-Forschung. Die Herstellungstechnologien haben sich weiterentwickelt, was es einfacher macht, kleine Teile zu bauen. Auch die Kleinbatterietechnologie verbessert sich.

Aber es gibt noch viele Herausforderungen. Kleine Roboter können die Arbeitslast eines größeren Roboters nicht kopieren. Obwohl die Batterien verbessert wurden, müssen sie kleiner und leistungsfähiger werden. Die Miniaturteile, die Energie in automatisierte Bewegung umwandeln, Aktuatoren genannt, müssen effizienter werden. Sensoren sollten leichter sein.

„Wir beginnen damit, uns anzusehen, wie Insekten diese Probleme lösen, und wir machen erhebliche Fortschritte“, sagte Sawyer B. Fuller, ein Assistenzprofessor, der das Autonomous Insect Robotics Laboratory der University of Washington leitet. „Aber es gibt eine Menge Dinge … die wir noch nicht haben.“

Ein Großteil der Forschung zur Insektenrobotik kann in einige wenige Bereiche unterteilt werden, sagten die Forscher. Einige Wissenschaftler bauen einen ganzen Roboter, um die Bewegung und Größe echter Insekten wie Bienen und Blitzkäfer nachzuahmen. Andere setzen Elektronik ein und kontrollieren lebende Insekten, wodurch sie im Wesentlichen Cyborgs (Wesen mit sowohl organischen als auch mechanischen Aspekten) erschaffen. Während einige mit einem Hybrid experimentieren – Teile eines lebenden Insekts, wie Antennen, mit einem Roboter verbinden.

Roboteringenieure begannen vor etwa 10 bis 15 Jahren mit der Suche nach Insekten als Inspiration. Damals beschäftigten sich nur wenige Forschungslabors damit. „Vor zehn Jahren klang es ehrlich gesagt eher nach Science-Fiction“, sagte Chen.

Aber im Laufe der Jahre haben mehr Forscher den Weltraum betreten, zum großen Teil aufgrund technologischer Fortschritte. Chen fügte hinzu, dass ein Großteil der Aktivitäten von Entwicklungen bei Kohlenstofffasern und Lasern angetrieben wurde, die in kleinem Maßstab „sehr coole Merkmale und komplexe Strukturen“ erzeugen können.

Elektronische Sensoren haben sich ebenfalls verbessert, zum großen Teil, weil Smartphones und Smartwatches die Forschung zur Herstellung kleinerer elektronischer Teile vorangetrieben haben.

„Wenn Sie an Ihr Smartphone denken, befinden sich darin viele Sensoren“, sagte Chen. „Sie können viele dieser Sensoren wirklich nutzen oder diese Sensoren in kleine Roboter einbauen.“

Kenjiro Fukuda, ein Forscher am Riken Institute for Thin Devices in Japan, leitet ein Team, das 3D-gedruckte Sensoren an zischenden Grillen aus Madagaskar befestigt. Die Sensoren wirken wie ein kleiner Rucksack, der Solarzellen zur Stromversorgung enthält; Ein Bluetooth-Sensor für die Fernbedienung und spezialisierte Computer verbindet sich mit dem Unterleib der Kakerlake und sendet kleine Stöße, um sie nach links oder rechts zu lenken.

Fukuda stellt sich vor, dass diese Cyborg-Kakerlaken in Notfällen wie einem Erdbeben helfen. Er sagte, Überlebende könnten unter den Trümmern liegen und mit bloßem Auge schwer zu erkennen sein.

Kakerlaken können ferngesteuert werden, indem sie mithilfe von Kohlendioxidsensoren und Kameras auf dem Rücken in den Trümmern freigesetzt werden, um zu helfen, Menschen zu finden, die gerettet werden müssen.

„Große Leute kommen nicht in die Trümmer“, sagte Fukuda. „Kleine Käfer oder kleine Roboter können das.“

Fukuda sagte, er könne diesen Ansatz auch auf andere Insekten mit großen Panzern wie Käfer und Zikaden anwenden. Es müssen jedoch einige Verbesserungen am Batteriedesign und der Stromaufnahme der Teile vorgenommen werden, bevor diese Lösung im wirklichen Leben eingesetzt werden kann, sagte er.

Wenn es um Cyborgs geht, sind nicht alle begeistert. Jeff Sebo, Professor für Tierbioethik an der New York University, sagte, er sei besorgt, dass lebende Insekten sich von Menschen kontrolliert fühlen, während sie schwere Technologie tragen. Er sagte, es sei unklar, ob sie deswegen Schmerzen oder Leiden empfinden, aber das bedeute nicht, dass Menschen es ignorieren sollten.

„Wir legen nicht einmal Lippenbekenntnisse zu ihrem Wohlergehen oder ihren Rechten ab“, sagte er. „Wir schlagen nicht einmal vor, dass es Gesetze, Richtlinien oder Überprüfungsgremien gibt, damit wir versuchen können, den Schaden, den wir ihnen zufügen, unerbittlich zu minimieren.“

Chen baut fliegende Roboter aus Blitzkäfern. Dies sind vollautomatische Maschinen, die die Art und Weise nachahmen, wie sich Insekten bewegen, kommunizieren und fliegen.

Inspiriert von der Art und Weise, wie Blitzkäfer Elektrolumineszenz verwenden, um im wirklichen Leben zu leuchten und zu kommunizieren, baute Chens Team weiche künstliche Flugmuskeln, die die Flügel des Roboters steuern und beim Fliegen buntes Licht aussenden.

Dies könnte es einem Schwarm dieser Roboter ermöglichen, miteinander zu kommunizieren, und könnte zur Bestäubung von Pflanzen auf vertikalen Farmen oder sogar im Weltraum verwendet werden, sagte Chen.

„Wenn ich Feldfrüchte im Weltraum anbauen wollte, [I want] Bestäubung“, sagte er. „In diesem Szenario wäre ein fliegender Roboter viel bequemer, als Bienen auszusenden.“

Fuller sagte, er schaue sich Käfer an, wenn er kleine Roboter baut, weil es so viel besser ist, als sich auf seine Vorstellungskraft zu verlassen. „Sie sehen Insekten, die verrückte Dinge tun, die Sie auf menschlicher Ebene nicht tun könnten“, sagte er. „Wir schauen uns nur an, wie Insekten das machen.“

Fullers Team arbeitet daran, eine Roboterfliege zu bauen. Ähnlich wie Cyborg-Kakerlaken können Fliegen für Such- und Rettungsmissionen verwendet werden. Sie können auch losgelassen werden, um zu fliegen und nach chemischen Lecks in der Luft oder Rissen in der Pipeline-Infrastruktur zu suchen.

„Du öffnest eine Tüte und diese kleinen Roboterfliegen fliegen herum“, sagte er. „Dann, sobald Sie wissen, wo das Leck ist, können Sie es korrigieren.“

Fuller sagte, er räumt ein, dass es noch ein langer Weg ist, bis seine Bots dies tun können. Es wäre schwierig, alle Sensoren, Netzteile und Teile zu miniaturisieren, die die Roboter benötigen, um Daten zu übertragen und an die Teams zurückzusenden. Batterien klein genug, aber leistungsstark genug zu machen, um Roboterjobs zu betreiben, ist eine gewaltige Herausforderung. Stabile Roboter, die mit den Flügeln schlagen können, aber auch Sensoren tragen, erfordern mehr Designforschung.

Trotz der SchwierigkeitenUnd die Wissenschaftler arbeiten auch daran, Teile eines lebenden Insekts, wie die Antennen einer Motte, zu nehmen und sie an einem Roboter anzubringen, der eines Tages Daten von ihm lesen könnte, sagte er. Er sagte, dass diese Hybridmethode ein großartiger Ort für Forscher in der Insektenrobotik sein könnte.

„Ich denke, das ist der Weg, den wir gehen sollten“, fügte Fuller hinzu. „Nehmen Sie die Teile der Biologie, die bereits gut funktionieren, und erledigen Sie den Rest automatisiert.“