Hybride Material-Roboter-Systeme Kostengünstige Roboter bauen komplexe Strukturen

Zwei Roboter bauen eine Struktur aus Voxels auf.
Zwei Roboter bauen eine Struktur aus Voxels auf.

»Relative Roboter« bauen Flugzeuge aus einfachen Basiselementen auf, die Grenzen zwischen Material und Roboter verschwimmen: Der Grundstein dafür ist gelegt.

In seiner Doktorarbeit beschreibt Benjamin Jenett vom Center for Bits and Atoms (CBA) am MIT, wie solche relativen Roboter zusammen arbeiten können, um aus kleinen Basiselementen – sogenannten Voxels – komplexe Strukturen aufzubauen. Zusammen mit Amira Abdel-Rahman und Kenneth Cheung hat er einen Artikel für »IEEE Robotics and Automation Letters« geschrieben, den Aron Becker, Associate Professor für Elektronik und Computer-Engineering an der Universität von Houston, als Durchbruch bezeichnet, weil hier neuste mechanische Konstruktionsmethoden, neue Roboter und Simulationen mit über 100.000 Konstruktionselementen kombiniert werden. »Wir sind dabei, ein ganz neues Gebiet zu erschließen, das Gebiet der hybriden Material-Roboter-Systeme«, erklärt Professor Neil Gershenfeld, Direktor des CBA.

Bisher gab es nach seinen Worten nur zwei Arten von Roboter-Typen: Die einen sind aus teuren spezifisch angefertigten Teilen aufgebaut. Diese Typen werden auf ihre jeweiligen Aufgaben genau zugeschnitten. Die zweite Roboterart besteht aus relativ kostengünstigen Modulen, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. Sie sind allerdings weniger leistungsfähig.

Die »relativen Roboter« bilden laut Gershenfeld eine neue Kategorie. Sie sind einfacher aufgebaut als die applikationsspezifischen Roboter aber dennoch viel leistungsfähiger als die Roboter aus Standardkomponenten. Sie haben das Potenzial, den Bau von großen Strukturen zu revolutionieren – von Flugzeugen über Brücken bis zu ganzen Gebäuden. Der große Unterschied zu anderen Robotern läge im Verhältnis der Roboter zu den Materialien, mit denen sie umgehen: »Der Unterschied zwischen Roboter und Struktur verschwimmt, beide arbeiten als System zusammen.« Ein großer Vorteil: Die mobilen Roboter von heute müssen über ein genaues Navigationssystem verfügen, um ihre jeweilige Position präzise ermitteln zu können. Den relativen Robotern genügt es, ihre Position nur in Bezug zu den Voxels zu kennen.

Die zugrunde liegende Idee: Wie sich ein Bild aus Pixeln zusammensetzen lässt, so können physikalische Objekte aus dreidimensionalen Basiselementen, den Voxels, aufgebaut werden. Die Roboter können sie aufnehmen und aneinanderfügen, um größere, komplexe Gebilde aufzubauen.

Die Roboter selbst gleichen einem Arm mit zwei langen Segmenten, die in der Mitte über ein Gelenk verbunden sind. An den Enden der Segmente befindet sich jeweils ein Greifer. Sie benutzt der Roboter, um sich an der einen Seite an einem Voxel festzuhalten und auf der anderen Seite ein Voxel aufzunehmen, um es an die gewünschten Positionen zu bringen und dort der Struktur anzufügen. Jenett hat seinen Roboter auf den Namen BILL-E (Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer) getauft.

Er hat mehrere Typen gebaut, um zu zeigen, dass sie funktionieren, genauso wie die zugehörigen Voxels, die mit Einrastmechanismen versehen sind, um sich leicht zusammenfügen oder auch wieder auseinander nehmen zu lassen. Nun können die Roboter bereits zwei- und dreidimensionale lineare Strukturen bauen. »Die Präzision haben wir nicht in die Roboter eingebaut, sondern sie ergibt sich aus der Struktur, die Schritt für Schritt entsteht«, erklärt  Jenett. »Der Roboter weiß nur, was er im jeweils nächsten Schritt tun muss. Das ist der große Unterschied zu bestehenden Robotern. Dadurch entfällt ein Gutteil der bisher in Robotern benötigen Komplexität. Solange der Roboter nicht einen Schritt auslässt, weiß er immer, wo er sich befindet.«

Wie sich große Strukturen aus einfachen Basiselementen aufbauen lassen, interessiert besonders Ingenieure, die sich mit dem Bau von Raumstationen und Gebäuden auf dem Mond oder auf anderen Planeten beschäftigen. Kein Wunder, dass die NASA und Airbus SE das Projekt gefördert haben.

Besonders interessant ist, das sich Beschädigungen an den komplexen Strukturen sehr gut reparieren lassen: Die betroffenen Voxels werden einfach ausgebaut und durch neue ersetzt. Danach ist die Struktur insgesamt genauso robust wie die ursprüngliche. »Die Roboter werden in der Struktur „leben“ und kontinuierlich Wartungs- und Reparaturaufgaben durchführen«, sagt Jenett.

Auch Sandor Fekete vom Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund an der Technischen Universität Braunschweig, ist beeindruckt: »Ultraleichte, digitale Materialien wie diese eröffnen die Möglichkeit, große und komplexe Strukturen effizient aufzubauen, wie sie etwa in der Luft- und Raumfahrt von größter Bedeutung sind. Jenett und seine Mitarbeiter hätten mit ihrer originellen Arbeit einen gewaltigen Schritt vorwärts in Richtung der Konstruktion von dynamisch anpassbaren Flugzeugflügeln, Solarsegeln und sogar rekonfigurierbaren Stationen im All geleistet.