Natürlich Geborene Automaten: Roboter Der Nächsten Generation Orientieren Sich An Der Biologie
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Anonim

Wie sich eine neue Generation von Robotern von der Natur inspirieren lässt (und Biologen dabei hilft, mehr darüber zu erfahren).

Der kugelförmige Jollbot ähnelt keiner Heuschrecke, verdankt aber seine Fähigkeit, zu diesen winzigen Kreaturen zu springen. Insekten haben nicht die Muskelwirkung, um wie Kängurus zu hüpfen, deshalb speichern sie Energie wie eine zusammengedrückte Feder und geben sie plötzlich frei, um zu springen. Wenn der flexible Jollbot abgeflacht und dann losgelassen wird, springt er ebenfalls ungefähr 50 Zentimeter nach oben in die Luft.

Jollbot ist ein Beispiel für eine biomimetische Maschine, die Ideen aus der Natur als Inspiration für ihr Aussehen, Verhalten und ihre physikalischen Mechanismen entlehnt. Biomimicry oder biomimetisches Design ist nichts Neues (denken Sie an Leonardo da Vincis Segelflugzeuge, die auf Vogelflügeln basieren). Aber Ingenieure und Robotiker suchen jetzt "proaktiv nach Lösungen für bestimmte technische Probleme in der Natur", sagt Jollbots Designer Rhodri Armor, Doktorand im Maschinenbau an der University of Bath in England.

Armor, der am Bath Center for Biomimetic and Natural Technologies (gegründet 2003) promovierte, suchte nach einem Mechanismus, der es einem Bot ermöglicht, raue Umgebungen zu erkunden, die das Gehen und Geräte mit Rädern behindern. Nach vier Jahren und drei Versionen der Maschine stellte er Jollbot im Dezember vor. Zusätzlich zum Springen kann das Gerät, wenn der Strandball-ähnliche Körper vollständig ausgefahren und straff ist, über holpriges Gelände rollen. Stellen Sie es sich auf dem Mars vor, wo ein Roboter wie Jollbot über Bereiche rollen und springen könnte, die NASA-Rover auf Rad- und Laufflächenbasis nicht konnten.

Laut Mark Cutkosky, Co-Direktor des Center for Design Research der Stanford University, hat sich das biomimetische Design in den letzten zehn Jahren gut entwickelt. Biologen verfügen über bessere Werkzeuge wie die fortschrittliche Mikroskopie, um Dinge im Tausendstel-Nanometer-Maßstab zu betrachten, mit denen sie mehr über Tiere und ihre physikalischen Mechanismen erfahren können, sagt er. Ronald Arkin, ein Robotiker des Georgia Institute of Technology, stellt einen dramatischen Rückgang der Kosten für den Bau von Robotern für seine Forschung fest: Die Herstellung eines Bots kostet jetzt rund um die Augen, um fast alles um sich herum zu sehen, während er herumschwirrt und die Richtung ändert, wenn er etwas spürt ihr Weg.

Robert Full, Biologe an der University of California in Berkeley, besteht darauf, dass es in der Biomimikry nicht nur darum geht, die natürliche Welt zu plündern. Er arbeitet seit Mitte der neunziger Jahre mit Ingenieuren zusammen, als er an der Entwicklung des von Krabben inspirierten Ariel mitwirkte, eines Minensuchroboters der iRobot Corp. (berühmt für sein Roomba-Robotervakuum), der in Brandungszonen nach vergrabenen Sprengstoffen suchen kann. Anstatt nur das nachzuahmen, was die Natur bietet, ermutigt er Entwürfe, die "die vorteilhaften Prinzipien und Analogien, die man in der Natur findet, nutzen und sie in die Technik integrieren, um etwas besseres als die Natur zu machen". Evolution, sagt er, ist nicht der ultimative Ingenieur; Vielmehr arbeitet es nach dem Prinzip "gut genug", um inkrementelle Verbesserungen gegenüber früheren Designs zu erzielen, anstatt bei Null anzufangen, um bessere zu erstellen.

Im vergangenen Jahr war Full Mitbegründer des Zentrums für Integrative Biomechanik in Bildung und Forschung (CiBER) an der U.C. Berkeley zur Förderung der Gegenseitigkeit zwischen Biologen und Ingenieuren: Die ersteren bieten Mechanismen, die die letzteren auf ihren Geräten verwenden können und die dann als Modelle für die Weiterentwicklung der Biologie dienen können. Stickybot, an dem Full mit Stanfords Cutkosky zusammengearbeitet hat, veranschaulicht dieses Prinzip wahrscheinlich am besten.

Im Jahr 2003 gab die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die fortschrittliche Forschungsabteilung des Pentagon, mehrere Millionen Dollar aus, um den Bau eines Roboters in Auftrag zu geben, der zu Überwachungszwecken Wände erklimmen könnte. Das Ergebnis war Spinybot, der mit Hilfe von Mikroklauen mit winzigen Stacheln, einem Mechanismus, der von Insekten wie der Kakerlake entlehnt wurde, auf rauen Oberflächen wie Bäumen und Zementwänden aufsteigen konnte. Stickybot, der 2006 debütierte und wie Fenster auf glatten Oberflächen laufen kann, verwendet einen von Geckos inspirierten Klebstoff. An ihren Füßen haben die Eidechsen Millionen von Setae - im Wesentlichen Haare mit gespaltenen Enden -, die intermolekulare Kräfte verwenden, um eine "gerichtete Adhäsion" zu erreichen: Wenn ihre Setae auf eine Oberfläche treffen, die sich in eine Richtung bewegt, beispielsweise von links nach rechts, haften sie an; Wenn sie in die entgegengesetzte Richtung gehen, schälen sie sich ab. "Es ist wie bei Klebeband, dass man nicht nach unten drücken muss, um es zu kleben", sagt Cutkosky.

Ingenieure stellten fest, dass ihre Kletterroboter von Wänden fielen, wenn sie keinen Schwanz hatten. "Wir dachten, [Geckos] benutzen niemals ihren Schwanz", erinnert sich Full, aber es stellt sich heraus, dass sie es tun. Der hintere Anhang hilft den Reptilien, sich zu stabilisieren und zu verhindern, dass sich ihre Köpfe zurückbewegen, wodurch sie Kopf über Schwanz auf den Boden fallen.

Um dieses kleine Stück Biophysik zu bestimmen, musste jedoch ein Roboter gebaut werden. "Dort bewegt sich die Biomimetik", sagt Full. "Es ist mehr als ein flüchtiger und oberflächlicher Ratschlag zum Design."

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