Eine Pflanze

Feature vom 5. Juni 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Viele bestehende Robotersysteme lassen sich von der Natur inspirieren und reproduzieren biologische Prozesse, natürliche Strukturen oder Tierverhalten künstlich, um bestimmte Ziele zu erreichen. Denn Tiere und Pflanzen sind von Natur aus mit Fähigkeiten ausgestattet, die ihnen das Überleben in ihrer jeweiligen Umgebung erleichtern und so auch die Leistungsfähigkeit von Robotern außerhalb von Laborumgebungen verbessern könnten.

Forscher des Brain-Inspired Robotics (BRAIR) Lab, des BioRobotics Institute of Sant'Anna School of Advanced Study in Italien und der National University of Singapore haben kürzlich einen von Pflanzen inspirierten Controller entwickelt, der die Leistung von Roboterarmen in unstrukturierten, realen Welten verbessern könnte Umgebungen. Dieser Controller, der in einem Vortrag auf der Konferenz IEEE RoboSoft 2023 in Singapur vorgestellt und unter den Finalisten für den Preis für die beste studentische Arbeit ausgewählt wurde, ermöglicht es Roboterarmen speziell, Aufgaben zu erledigen, bei denen es darum geht, bestimmte Orte oder Objekte in ihrer Umgebung zu erreichen.

„Weiche Roboterarme sind eine neue Generation von Robotermanipulatoren, die von den fortschrittlichen Manipulationsfähigkeiten ‚knochenloser‘ Organismen wie Oktopustentakeln, Elefantenrüsseln, Pflanzen usw. inspiriert sind“, sagt Enrico Donato, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben die Studie, sagte Tech Xplore. „Die Umsetzung dieser Prinzipien in technische Lösungen führt zu Systemen, die aus flexiblen, leichten Materialien bestehen, die sich sanft elastisch verformen können, um eine nachgiebige und geschickte Bewegung zu erzeugen. Aufgrund dieser wünschenswerten Eigenschaften passen sich diese Systeme an Oberflächen an, weisen physische Robustheit auf und sind für den Menschen sicher.“ Betrieb zu potenziell niedrigen Kosten.“

Während weiche Roboterarme bei einer Vielzahl realer Probleme eingesetzt werden könnten, könnten sie besonders nützlich für die Automatisierung von Aufgaben sein, bei denen es darum geht, gewünschte Orte zu erreichen, die für starre Roboter möglicherweise unzugänglich sind. Viele Forschungsteams haben in letzter Zeit versucht, Steuerungen zu entwickeln, die es diesen flexiblen Armen ermöglichen würden, diese Aufgaben effektiv zu bewältigen.

„Im Allgemeinen beruht die Funktionsweise solcher Steuerungen auf rechnerischen Formulierungen, die eine gültige Zuordnung zwischen zwei Betriebsräumen des Roboters, nämlich dem Aufgabenraum und dem Aktuatorraum, erstellen können“, erklärte Donato. „Das ordnungsgemäße Funktionieren dieser Controller beruht jedoch im Allgemeinen auf visuellem Feedback, was ihre Gültigkeit in Laborumgebungen einschränkt und die Einsatzfähigkeit dieser Systeme in natürlichen und dynamischen Umgebungen einschränkt. Dieser Artikel ist der erste Versuch, diese ungelöste Einschränkung zu überwinden und die Reichweite zu erweitern.“ dieser Systeme auf unstrukturierte Umgebungen.

Da sich herausstellte, dass die meisten existierenden Controller für Soft-Roboterarme vor allem in Laborumgebungen gut funktionieren, machten sich Donato und seine Kollegen daran, einen neuen Controller-Typ zu entwickeln, der auch in realen Umgebungen anwendbar sein könnte. Der von ihnen vorgeschlagene Controller ist von den Bewegungen und dem Verhalten von Pflanzen inspiriert.

„Entgegen dem weit verbreiteten Missverständnis, dass Pflanzen sich nicht bewegen, bewegen sich Pflanzen aktiv und gezielt von einem Punkt zum anderen, indem sie Bewegungsstrategien anwenden, die auf Wachstum basieren“, sagte Donato. „Diese Strategien sind so effektiv, dass Pflanzen fast alle Lebensräume auf dem Planeten besiedeln können, eine Fähigkeit, die im Tierreich fehlt. Interessanterweise entspringen Pflanzenbewegungsstrategien im Gegensatz zu Tieren nicht einem zentralen Nervensystem, sondern entstehen durch ausgeklügelte Systeme Formen dezentraler Rechenmechanismen.

Die Kontrollstrategie, die der Funktionsweise des Controllers der Forscher zugrunde liegt, versucht, die ausgeklügelten dezentralen Mechanismen nachzubilden, die den Bewegungen von Pflanzen zugrunde liegen. Das Team nutzte speziell verhaltensbasierte Tools der künstlichen Intelligenz, die aus dezentralen Computeragenten bestehen, die in einer Bottom-up-Struktur kombiniert werden.

„Die Neuheit unseres bioinspirierten Controllers liegt in seiner Einfachheit, bei der wir die grundlegenden mechanischen Funktionen des weichen Roboterarms nutzen, um das allgemeine Greifverhalten zu erzeugen“, sagte Donato. „Konkret besteht der Soft-Roboterarm aus einer redundanten Anordnung von Soft-Modulen, die jeweils durch eine Triade radial angeordneter Aktuatoren aktiviert werden. Es ist bekannt, dass das System bei einer solchen Konfiguration sechs Hauptbiegerichtungen erzeugen kann.“

Die Rechenagenten, die der Funktionsweise des Team-Controllers zugrunde liegen, nutzen die Amplitude und das Timing der Aktuatorkonfiguration, um zwei verschiedene Arten von Pflanzenbewegungen zu reproduzieren, die als Circumnutation und Phototropismus bekannt sind. Zirkumnutationen sind Oszillationen, die häufig bei Pflanzen beobachtet werden, während Phototropismus Richtungsbewegungen sind, die die Zweige oder Blätter einer Pflanze näher an das Licht bringen.

Der von Donato und seinen Kollegen entwickelte Controller kann zwischen diesen beiden Verhaltensweisen wechseln und so die sequentielle Steuerung von Roboterarmen über zwei Stufen erreichen. Die erste dieser Phasen ist eine Erkundungsphase, in der die Arme ihre Umgebung erkunden, während die zweite eine Erreichensphase ist, in der sie sich bewegen, um einen gewünschten Ort oder ein gewünschtes Objekt zu erreichen.

„Die vielleicht wichtigste Erkenntnis aus dieser speziellen Arbeit ist, dass dies das erste Mal ist, dass redundante Soft-Roboterarme mit einem sehr einfachen Steuerungsrahmen Fähigkeiten außerhalb der Laborumgebung erreichen können“, sagte Donato. „Darüber hinaus ist der Controller auf jeden Soft-Roboterarm anwendbar, der über eine ähnliche Betätigungsanordnung verfügt. Dies ist ein Schritt in Richtung der Verwendung eingebetteter Sensor- und verteilter Steuerungsstrategien in Kontinuums- und Soft-Robotern.“

Bisher haben die Forscher ihren Controller in einer Reihe von Tests getestet, wobei sie einen modularen, kabelgetriebenen, leichten und weichen Roboterarm mit 9 Freiheitsgraden (9-DoF) verwendeten. Ihre Ergebnisse waren sehr vielversprechend, da die Steuerung es dem Arm ermöglichte, sowohl seine Umgebung zu erkunden als auch einen Zielort effektiver zu erreichen als andere in der Vergangenheit vorgeschlagene Steuerungsstrategien.

Zukünftig könnte der neue Controller auf andere weiche Roboterarme angewendet und sowohl im Labor als auch in der realen Welt getestet werden, um seine Fähigkeit, mit dynamischen Umweltveränderungen umzugehen, weiter zu bewerten. In der Zwischenzeit planen Donato und seine Kollegen, ihre Kontrollstrategie weiterzuentwickeln, damit sie zusätzliche Roboterarmbewegungen und -verhalten erzeugen kann.

„Wir versuchen derzeit, die Fähigkeiten des Controllers zu verbessern, um komplexere Verhaltensweisen wie Zielverfolgung, Ganzarmdrehung usw. zu ermöglichen, damit solche Systeme in natürlichen Umgebungen über lange Zeiträume funktionieren können“, fügte Donato hinzu.

Mehr Informationen: Enrico Donato et al., Von Pflanzen inspirierter verhaltensbasierter Controller zur Ermöglichung des Erreichens redundanter Kontinuumsroboterarme, 2023 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft) (2023). DOI: 10.1109/RoboSoft55895.2023.10122017.

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