Forscher fördern Flug für Insekten

Zu den Komponenten einer Avionik-Suite für einen 10-Milligramm-Mückenroboter gehören ein 2-Milligramm-Gyroskop, ein 3-Milligramm-Mikroprozessor und ein 1-Milligramm-visueller optischer Strömungssensor. Sawyer Fuller, Zhitao Credit: Yu und Yash Talwekar

Innerhalb von zwei Jahren wollen Forscher der University of Washington, Seattle, ein Paket kommerzieller Flugsteuerungssensoren auf dem RoboFly im Flug testen, was das Gebiet der von Insekten inspirierten Drohnenforschung bereits vorangebracht hat. Letztendlich könnte die Technologie dazu beitragen, Robotern, die so klein wie Mücken sind, das Fliegen zu ermöglichen und sie kostengünstig zu Tausenden für eine Reihe von Missionen einzusetzen, darunter Such- und Rettungsmissionen, Umweltforschung und Weltraumforschung.

Ziel der Grundlagenforschung ist die Erforschung von Flugsteuerungsmöglichkeiten für kleinste Luftfahrzeuge, insbesondere solche mit einem Gewicht von weniger als einem Gramm. Der Flug ist für kleine Bots teilweise aufgrund der Größen-, Gewichts- und Leistungsbeschränkungen der erforderlichen Hardware schwierig. Die Durchführung eines kontrollierten Fluges ohne Feedback von externen Sensoren war eine Herausforderung.

Die bei Insekten üblichen Schwebemanöver sind für Miniaturmaschinen besonders schwierig nachzuahmen. „Für den aktuellen Stand der Technik zum Schweben kleiner Roboter verwenden sie den Laser-Entfernungsmesser und auch das Gyroskop, die sehr schwer, sehr energieverbrauchend und auch sehr groß sind“, erklärte Zhitao Yu, Doktorand und Forschungsassistent an der University of Washington der Mitautor des Artikels ist.

Das Team der University of Washington verfolgte einen neuartigen Ansatz, der von der Fähigkeit von Fliegen inspiriert war, mit ihren federähnlichen Antennen Wind zu spüren und so den Flug zu steuern. Die Forscher erfassten die Fluggeschwindigkeit mit einem Zwei-Milligramm-Beschleunigungsmesser, der von mCube Incorporated, San Jose, Kalifornien, gebaut wurde. Sie kombinierten dies mit einem Mikrocontroller und einer optischen Flusskamera, der OVM6948 von Omnivision Incorporated, Santa Clara, Kalifornien. Sie testeten ihr Konzept mit einer handtellergroßen Drohne, der Crazyflie 2.1 des Herstellers Bitcraze mit Hauptsitz in Schweden.

Die Forscher gaben die Ergebnisse von Experimenten und Simulationen in einem in Science Robotics veröffentlichten Artikel bekannt, der von Yu, Sawyer Fuller und Yash Talwekar gemeinsam verfasst wurde. „Der kleinste Roboter, der kontrolliert schweben kann, verwendet einen Sensorsatz mit einem Gewicht von Hunderten von Milligramm. Hier zeigen wir, dass ein Beschleunigungsmesser vielleicht die direkteste Möglichkeit darstellt, den Flug zu stabilisieren und gleichzeitig die extremen Größen-, Geschwindigkeits-, Gewichts- und Leistungsbeschränkungen eines Flugroboters zu erfüllen, selbst wenn er auf nur wenige Milligramm verkleinert wird“, schrieben sie in der Einleitung .

Yu gab an, dass ein funktionierender Gnat-Bot zusätzliche Hardware-Verbesserungen erfordert. „Diese Arbeit ist ein entscheidender Schritt hin zu einem flugfähigen Mückenroboter. Es ist möglich, dass wir einen Roboter bauen können, der etwa 10 Milligramm wiegt. Es ist wie ein Reiskorn“, sagte er. „Es ist sehr schwierig, das zu bauen, aber in diesem Artikel wird untersucht, ob wir ein Sensorsystem bauen können, um den Mückenroboter in der Luft zu stabilisieren.“

Der Austausch schwererer Hardware war nur ein Teil der Herausforderung. Damit das System funktioniert, mussten die Forscher auch Software entwickeln, die effizient genug ist, um diese Aufgabe zu erfüllen. „Auf Seiten des Algorithmus gibt es auch einige Herausforderungen, etwa wie man die optischen Flussschätzungen effizient genug gestalten kann, ohne viel Strom zu verbrauchen“, fügte Yu hinzu.

Der nächste Schritt, der voraussichtlich in ein oder zwei Jahren erfolgen wird, besteht darin, die Lösung am eigenen RoboFly des Teams der University of Washington zu testen, der von einem Laserstrahl angetrieben wird. Laut einer Pressemitteilung der Universität aus dem Jahr 2018 war RoboFly der erste insektengroße Roboter, der ohne Kabel flog. Um das Stromkabel zu durchtrennen, nutzten die Forscher einen winzigen Bordschaltkreis, um die Laserenergie in Strom umzuwandeln, um die Flügel zu betreiben. „Bisher war das Konzept drahtloser, insektengroßer Flugroboter Science-Fiction. Unser neuer drahtloser RoboFly zeigt, dass sie dem wirklichen Leben viel näher kommen“, sagte Fuller, Assistenzprofessor und Forscher beider Projekte, in der Pressemitteilung.

RoboFly wiegt etwa 100 Milligramm, etwas mehr als ein Zahnstocher, und ein erfolgreicher Flug würde die Forscher einem mückengroßen System einen Schritt näher bringen. „Daran arbeiten wir. Wir installieren den Beschleunigungsmesser und auch die Kamera auf dem RoboFly und kümmern uns um die Hardware-Software-Schnittstelle und auch um die Firmware. Ich denke, dass wir es in ein oder zwei Jahren testen können“, bot Yu an.

Da die Technologie im Rahmen eines Grundlagenforschungsstipendiums entwickelt wird, könnte es laut Yu fünf Jahre dauern, bis ein Produkt fertig ist. „Aber mittlerweile gibt es Spin-offs. Wir hoffen, dass diese Technologie beispielsweise dazu genutzt werden könnte, menschliche Körperbewegungen oder die Flugbewegungen kleiner Insekten zu verfolgen“, sagte er in einer E-Mail nach einem Telefoninterview mit SIGNAL Media. Die Verfolgung menschlicher Bewegungen könnte Rehabilitations-, Fitness- oder Sport-Tracking umfassen, beispielsweise die Verbesserung eines Schwungs. Das Aufspüren von Insekten könnte das Auffinden von Mordshornissennestern oder die Erforschung der Wirkung von Pestiziden auf die Bienennavigation umfassen.

Die Forschung wird durch ein Stipendium der National Science Foundation finanziert, um visuelle Flugsteuerungstechnologien für die kleinsten Luftfahrzeuge zu entwickeln. „Ziel dieses Projekts ist es, autonome Roboter so klein wie Hummeln und sogar Mücken zu realisieren, indem Designrichtlinien für ihre visionsbasierten Steuerungssysteme erstellt werden. „Das wird revolutionäre Auswirkungen auf die Robotik haben“, heißt es auf einer Webseite der Stiftung über das Programm.

„Im Vergleich zu größeren Robotern werden Insektenroboter in größerer Zahl, auf engstem Raum und in größerer Nähe zu Menschen eingesetzt, ohne dass die Gefahr eines Aufpralls besteht“, heißt es auf der Website der National Science Foundation. Darüber hinaus sammeln sie kleine Mengen der in der Umwelt verfügbaren Energie, beispielsweise Sonnenlicht. „Dadurch werden sie die Umweltbedingungen viel detaillierter erfassen, als dies derzeit möglich ist.“

Zu den möglichen Einsatzmöglichkeiten gehören die Ortung von Methan, die Erkennung beginnender Brände, die Überwachung der Landwirtschaft aus dem Pflanzendach heraus, die Inspektion enger Räume und die Erkundung des Weltraums bei reduzierten Startkosten.

Auch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat Interesse an von Insekten inspirierten Robotern gezeigt. „Zum Beispiel hat die Agentur letztes Jahr das SHort-Range Independent Microrobotics Program abgeschlossen, das Betätigungsmechanismen und energieeffiziente Spannungsumwandlungsschaltungen für Mikroroboterplattformen entwickelte. Die wichtigsten technischen Schwerpunkte waren die Effizienz, Robustheit und Kraftabgabe von Aktuatoren im Millimeterbereich sowie die Leistungs- und Energiekapazität von Batterien und Leistungswandlern auf Chipebene. Beamte der Behörde hatten vor, die Mikrobots zur Suche und Rettung nach einer Naturkatastrophe oder zur Untersuchung gefährlicher Umgebungen einzusetzen.