Ausweitung der Soft-Robotic-Steuerung

Weiche Roboterarme bieten einen revolutionären Ansatz zur Manipulation von Objekten und zur Interaktion mit der Umgebung. Im Gegensatz zu ihren starren Gegenstücken bestehen weiche Roboterarme aus flexiblen Materialien wie Elastomeren oder Textilien und werden typischerweise durch pneumatische oder hydraulische Systeme angetrieben. Dieses einzigartige Design ermöglicht es ihnen, sich zu biegen, zu verformen und an ihre Umgebung anzupassen, was ihnen eine große Bewegungsfreiheit und Geschicklichkeit verleiht.

Die inhärente Flexibilität und Nachgiebigkeit von Softrobotern ermöglicht es ihnen, problemlos durch komplexe und enge Räume zu navigieren. Sie können beispielsweise in enge Spalten greifen, empfindliche Gegenstände handhaben, ohne Schaden anzurichten, oder sogar durch überfüllte Umgebungen navigieren. Dies macht sie besonders wertvoll für Anwendungen wie Such- und Rettungsmissionen, Erkundungen in gefährlichen Umgebungen oder medizinische Verfahren, bei denen Präzision und Anpassungsfähigkeit entscheidend sind.

Es sind jedoch dieselben Eigenschaften, die wir an weichen Roboterarmen schätzen, die ihre Steuerung jedoch schwierig machen. Der beste Weg, einen wirksamen Kontrollmechanismus zu entwickeln, der mit der Flexibilität und Verformbarkeit der beteiligten Materialien umgehen kann, ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet. Die meisten aktuellen Lösungen basieren auf kamerabasierten Lösungen, die zwar gut funktionieren, aber nicht außerhalb einer Laborumgebung in verschiedenen, realen Szenarien eingesetzt werden können.

Ein Team bestehend aus Forschern der Sant'Anna School of Advanced Study und der National University of Singapore ging dieses Problem aus einem völlig anderen Blickwinkel an. Sie erkannten, dass das Pflanzenleben praktisch alle Lebensräume auf der Erde umfasst und dass viele Pflanzen weich und flexibel wie weiche Roboter sind, und entwickelten ein Kontrollsystem, das auf Pflanzenbewegungen basiert. Sie glaubten, dass sie durch die Übernahme ähnlicher Bewegungsprinzipien einen weichen Roboter entwerfen könnten, der unter nahezu allen Bedingungen gesteuert werden kann, nicht nur unter idealen Laborbedingungen.

Entgegen der landläufigen Meinung bewegen sich Pflanzen, um bestimmte Zwecke zu erfüllen, beispielsweise auf der Suche nach Sonnenlicht oder Nährstoffen. Aber im Gegensatz zum Muskelsystem, das Menschen und Tiere zur Fortbewegung nutzen, wird die Bewegung von Pflanzen durch Wachstum gesteuert. Dies kann beispielsweise durch die Ausschüttung von Hormonen erreicht werden, die dazu führen, dass die Zellen auf einer Seite des Stammes schneller wachsen als auf der anderen Seite. Die Forscher beschrieben diesen Wachstumskontrollprozess als eine Art dezentralen Rechenmechanismus.

Der Controller wurde auf einem modularen kabelbetriebenen Kontinuumsarm mit 9 DoF implementiert. Drei radial angeordnete Aktuatoren ermöglichen die Biegung des Arms in sechs Hauptrichtungen. In der Nähe des Endeffektors wurden Näherungssensoren eingebettet, um Informationen über die Position des Arms relativ zu einem Ziel zu liefern. Verhaltensbasierte Tools der künstlichen Intelligenz, bestehend aus dezentralen Computeragenten, wurden genutzt, um den kontrollierten Wachstumsmechanismus von Pflanzen zu simulieren.

Der Lernalgorithmus wurde darauf trainiert, zwei Arten der Pflanzenbewegung zu simulieren – Circumnutation und Phototropismus. Circumnutation ist eine spiralförmige Bewegung, die bei vielen Pflanzenarten auftritt, während Phototropismus eine Pflanze in eine bestimmte Richtung bewegt, um mehr Sonnenlicht zu sammeln.

Diese beiden Bewegungsarten kommen zunächst in einer Erkundungsphase zum Einsatz, in der der Roboter Informationen über seine Umgebung sammelt. Darauf folgt eine sekundäre Greifphase, in der sich der Arm auf ein vordefiniertes Ziel zubewegt, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen.

Obwohl dies wie eine recht einfache Architektur für einen Controller erscheint, hat sie sich als effektiv erwiesen. Und was noch wichtiger ist: Dies ist das erste Steuerungssystem für Soft-Robotik, das in realen Umgebungen erfolgreich ist. Die Forscher stellen fest, dass ihre Methoden auf jeden Soft-Roboterarm mit einem ähnlichen Betätigungssystem anwendbar sind, sodass diese neuartige Idee in Zukunft alle Arten von Soft-Robotern antreiben könnte.

Derzeit arbeitet das Team daran, die Fähigkeiten seines Motion Controllers zu erweitern. Zusätzlich zur Reichweite hoffen sie, auch zusätzliche Funktionen wie Zielverfolgung und Ganzarm-Twining zu ermöglichen.