MIT-Forscher sind der Selbstvervollkommnung einen Schritt näher gekommen

Von Eli Curwin

„Hated in the Nation“, eine Folge der dystopischen Science-Fiction-Serie „Black Mirror“ von Netflix, hat es vorausgesagt: Tausende Roboterbienen summen von Blüte zu Blüte und bestäuben Pflanzen, um den Rückgang der Insektenpopulationen auszugleichen. Und während sich die Roboter der Folge schließlich gegen ihre menschlichen Erfinder wenden und über 387.000 Menschen töten, indem sie ihre künstlichen Stacheln in die Köpfe der Opfer rammen, glauben die MIT-Wissenschaftler, die an der Perfektionierung der heutigen Flugroboter arbeiten, wahrscheinlich, dass wir uns darüber keine Sorgen machen müssen.

Nun ja, vorerst.

Trotz der ahnungsvollen Sichtweise der Show auf Roboterbienen sind Forscher am Massachusetts Institute of Technology der Perfektionierung der künstlichen Luftlebewesen einen Schritt näher gekommen. In einem am 15. März veröffentlichten Artikel zeigte eine Gruppe von Forschern am MIT, dass der Einsatz widerstandsfähiger muskelähnlicher Aktuatoren und selbstreparierender Technologie die Robustheit von Roboterbienen erheblich verbessern kann.

„Das Fliegen von Insekten ist unglaublich schwer zu verstehen“, sagte Kevin Chen, Assistenzprofessor am MIT, Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory des Instituts und leitender Autor des Artikels. „Die aerodynamischen Prinzipien, die Insekten nutzen, unterscheiden sich stark von denen beispielsweise von Flugzeugen oder anderen Flugobjekten. Der Versuch, einen maßstabsgetreuen Flugroboter zu bauen, gibt uns also definitiv Werkzeuge an die Hand, um die Insekten zu verstehen.“

In der Vergangenheit, so Chen, habe sich die Forschung darauf konzentriert, die Flugkontrollierbarkeit und Kollisionsverhinderung für Flugroboter zu perfektionieren. Aber er sagt, diese Betonung der Kontrollierbarkeit sei anders als das, was wir in der Natur sehen, da Bienen ständig auf Dinge stoßen und weiterfliegen können. Tatsächlich zeigen Studien, dass Bienen bis zu 40 % ihrer Flügel verlieren und weiterhin durch die Luft schwirren können: Es ist ihre Fähigkeit, nach Schlägen und Stößen weiterzufliegen, die sie zu solch widerstandsfähigen Fliegern macht.

Deshalb versuchten die MIT-Forscher, diese Widerstandsfähigkeit nachzuahmen, indem sie nach Möglichkeiten suchten, die fliegenden Roboter nach einer Beschädigung der Flügel zu reparieren und wiederherzustellen.

Die Mischung aus Doktoranden und Professoren wandte sich einer Art weicher künstlicher Muskeln zu, den sogenannten dielektrischen Elastomeraktoren (DEAs), die Einstichen und Stößen standhalten und weiterhin mit den Flügeln des Roboters schlagen können. Das muskelähnliche Material besteht aus Elastomerschichten, die zwischen Elektroden gefüllt sind. Und wenn Spannung anliegt, drücken die Elektroden das Elastomer zusammen und schlagen schnell mit den Flügeln.

„Das Einzigartige an unserem Roboter ist, dass die Aktuatoren weich sind. Es handelt sich um eine Art weiche künstliche Muskeln“, sagte Chen. „Und wenn Sie sich ein … Video des Roboterbetriebs ansehen, schrumpft und verlängert sich der weiche künstliche Muskel … sehr ähnlich zu Muskeln. Und der Hauptbeitrag der … letzten Woche veröffentlichten Arbeit bestand darin, diesen künstlichen Muskeln ein ähnliches Maß an Robustheit zu verleihen.“

Mithilfe der DEAs führten die Wissenschaftler dann zwei Arten von Robustheitstests durch – Schäden an den Flügeln durch kleinere und größere Einstiche oder Verletzungen. Wenn das Elastomer eine leichte Verletzung erlitten hat, führt der Roboter mithilfe der Spannung, mit der die Flügel angetrieben werden, einen Prozess durch, der als Selbstreinigung bezeichnet wird. Im Wesentlichen brennt bei einem kleinen Defekt die Spannung aus und trennt die lokale Elektrode in der Nähe des Defekts, wodurch sie vom Rest des Roboters isoliert wird. Aus diesem Grund funktioniert der Rest des Roboters weiterhin wie gewohnt.

Bei einer schweren Verletzung – einem größeren Einstich, durch den Luft in den Roboter eindringen kann – verwendeten die Forscher einen Laser, um den Defekt chirurgisch zu entfernen. Dadurch wurde der größere Defekt isoliert, sodass nur eine geringfügige Verletzung zurückblieb, die dann durch den Selbstreinigungsprozess isoliert werden konnte.

„Sie haben einen großen Schadenspunkt und schneiden dann mit dem Laser um diesen Schaden herum. So effektiv … erzeugt der Laser eine kleine Verletzung, die die große Verletzung umgibt. Und die leichte Verletzung kann automatisch geheilt werden … [und] vom Rest des Aktuators isoliert werden“, sagte Chen. „Die Idee ist also, dass dann die kleine Verletzung die große Verletzung isoliert und dann die kleine Verletzung sich selbst isoliert, was gleichbedeutend mit der Isolierung der großen Verletzung ist. In gewisser Weise verwenden wir also die Analogie zur Verwendung eines Lasers, um eine kleine Operation am weichen künstlichen Muskel durchzuführen.“

Um tatsächlich zu sehen, ob die Roboter eine verbesserte Widerstandsfähigkeit hatten, verwendeten die Forscher zwei Arten von Tests. Man hat in den Aktor elektrolumineszierende Partikel eingearbeitet, die nur dann aufleuchten, wenn der entsprechende Teil des Aktors funktioniert. Die andere bestand darin, zu sehen, ob der Roboter fliegen konnte. Und aufgrund des weichen, muskulösen Aktuators und seines selbstreinigenden Isolationsprozesses flogen die beschädigten Bienen in einer Höhe, die der der unbeschädigten Bienen unglaublich ähnlich war.

Chen sagt, dass diese Arbeit, insbesondere der elastische muskelähnliche Aktuator, in Zukunft für Roboter verwendet werden kann, die in engen Räumen fliegen, wo sie wahrscheinlich beschädigt werden. Und dass es in verschiedenen Arten von Roboteranwendungen wie springenden Robotern und sogar zur Reinigung von Ozeanen eingesetzt werden kann.

„Wir wollen diese künstlichen Muskeln nicht nur in einen Roboter integrieren, sondern auch in eine breite Palette anderer Robotersysteme“, sagte Chen. „Unser längerfristiges Ziel ist es, wirklich künstliche Muskeln zu schaffen, die sich genau wie Muskeln verhalten und anfühlen.“

Aber zumindest vom Standpunkt der Kunst, die das Leben widerspiegelt, hoffen wir einfach, dass die Bienen nicht zu widerstandsfähig sind, wenn der Aktuator eingebaut wird.

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