Roboter können Tieren nicht entkommen. Eine neue Studie untersucht, warum

Die Frage könnte die Version der Fabel von der Schildkröte und dem Hasen des 21. Jahrhunderts sein: Wer würde in einem Wettlauf zwischen einem Roboter und einem Tier gewinnen?

In einem neuen Perspektivenartikel machte sich ein Team von Ingenieuren aus den USA und Kanada, darunter der Robotiker Kaushik Jayaram von der University of Colorado Boulder, daran, dieses Rätsel zu lösen. Die Gruppe analysierte Daten aus Dutzenden von Studien und kam zu einem klaren „Nein“. In fast allen Fällen scheinen biologische Organismen wie Geparden, Kakerlaken und sogar Menschen in der Lage zu sein, ihren Roboter-Gegenstücken davonzulaufen.

Die Forscher unter der Leitung von Samuel Burden von der University of Washington und Maxwell Donelan von der Simon Fraser University veröffentlichten ihre Ergebnisse letzte Woche im Tagebuch Wissenschaftsrobotik.

„Als Ingenieur ist das irgendwie ärgerlich“, sagte Jayaram, Assistenzprofessor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering an der CU Boulder. „In 200 Jahren intensiver Ingenieursarbeit konnten wir Raumschiffe zum Mond und zum Mars und zu vielem mehr schicken. Aber es ist verwirrend, dass wir noch keine Roboter haben, die bei der Fortbewegung in natürlichen Umgebungen deutlich besser sind als biologische Systeme.“

Er hofft, dass die Studie Ingenieure dazu inspirieren wird, zu lernen, wie man anpassungsfähigere und flinkere Roboter baut. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das Versagen von Robotern, den Tieren zu entkommen, nicht auf Mängel in einem einzelnen Maschinenteil zurückzuführen ist, etwa bei Batterien oder Aktuatoren. Stattdessen könnten Ingenieure bei der effizienten Zusammenarbeit dieser Teile scheitern.

Dieses Streben ist eine der größten Leidenschaften Jayarams. In seinem Labor auf dem Campus der CU Boulder leben viele gruselige Krabbeltiere, darunter mehrere pelzige Wolfsspinnen, die etwa die Größe eines halben Dollars haben.

„Wolfsspinnen sind natürliche Jäger“, sagte Jayaram. „Sie leben unter Felsen und können mit unglaublicher Geschwindigkeit über komplexes Gelände rennen, um Beute zu fangen.“

Er stellt sich eine Welt vor, in der Ingenieure Roboter bauen, die ein bisschen mehr wie diese außergewöhnlichen Spinnentiere funktionieren.

„Tiere sind in gewisser Weise die Verkörperung dieses ultimativen Designprinzips – eines Systems, das wirklich gut zusammenarbeitet“, sagte er.

Kakerlakenenergie

Die Frage: „Wer kann besser laufen, Tiere oder Roboter?“ ist kompliziert, weil das Laufen selbst kompliziert ist.

In früheren Forschungen haben Jayaram und seine Kollegen von der Harvard University eine Reihe von Robotern entworfen, die dies versuchen ahmen das Verhalten der oft geschmähten Kakerlake nach. Die Mannschaften HAMR-Jr-Modell passt auf einen Penny und sprintet mit der Geschwindigkeit eines Geparden. Jayaram bemerkte jedoch, dass HAMR-Jr zwar eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung ausführen kann, sich aber nicht so gut von einer Seite zur anderen oder über holpriges Gelände bewegt. Im Gegensatz dazu haben bescheidene Kakerlaken kein Problem damit, über Oberflächen von Porzellan bis hin zu Schmutz und Kies zu rennen. Sie können auch Wände hochschlagen und durch winzige Ritzen quetschen.

Um zu verstehen, warum diese Vielseitigkeit für Roboter weiterhin eine Herausforderung darstellt, haben die Autoren der neuen Studie diese Maschinen in fünf Subsysteme unterteilt, darunter Leistung, Rahmen, Betätigung, Erfassung und Steuerung. Zur Überraschung der Gruppe schienen nur wenige dieser Subsysteme hinter ihren Äquivalenten bei Tieren zurück zu sein.

Hochwertige Lithium-Ionen-Batterien können beispielsweise bis zu 10 Kilowatt Leistung pro Kilogramm Gewicht liefern. Tierisches Gewebe hingegen produziert etwa ein Zehntel davon. Muskeln hingegen können das absolute Drehmoment vieler Motoren nicht annähernd erreichen.

„Aber auf Systemebene sind Roboter nicht so gut“, sagte Jayaram. „Wir stoßen auf inhärente Design-Kompromisse. Wenn wir versuchen, eine Sache zu optimieren, etwa die Vorwärtsgeschwindigkeit, verlieren wir möglicherweise etwas anderes, etwa die Wendefähigkeit.“

Spinnensinne

Wie können Ingenieure also Roboter bauen, die wie Tiere mehr als nur die Summe ihrer Teile sind?

Tiere, so Jayaram, seien nicht wie Roboter in separate Subsysteme aufgeteilt. Ihr Quadrizeps beispielsweise treibt Ihre Beine an, so wie die Aktuatoren von HAMR-Jr ihre Gliedmaßen bewegen. Aber Quadrizeps produzieren auch ihre eigene Energie, indem sie Fette und Zucker abbauen und Neuronen einbauen, die Schmerzen und Druck wahrnehmen können.

Jayaram glaubt, dass die Zukunft der Robotik auf „funktionalen Untereinheiten“ beruhen könnte, die dasselbe tun: Anstatt die Stromquellen von Ihren Motoren und Leiterplatten getrennt zu halten, warum integrieren Sie sie nicht alle in einem einzigen Teil? In einer Arbeit aus dem Jahr 2015 schlug der Informatiker Nikolaus Correll von der CU Boulder, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, solche theoretischen „Robotermaterialien“ vor, die eher wie Ihre Quadrizeps funktionieren.

Von diesem Ziel sind die Ingenieure noch weit entfernt. Einige, wie Jayaram, machen Schritte in diese Richtung, beispielsweise durch den Compliant Legged Articulated Robotic Insect (CLARI)-Roboter seines Labors. ein mehrbeiniger Roboter, der sich ein wenig wie eine Spinne bewegt. Jayaram erklärte, dass CLARI auf einem modularen Design basiert, bei dem jedes seiner Beine wie ein eigenständiger Roboter mit eigenem Motor, Sensoren und Steuerschaltkreisen fungiert. Die Mannschaften neue und verbesserte Version namens mCLARI kann sich auf engstem Raum in alle Richtungen bewegen, eine Premiere für vierbeinige Roboter.

Es ist noch etwas, was Ingenieure wie Jayaram von den perfekten Jägern, den Wolfsspinnen, lernen können.

„Die Natur ist ein wirklich nützlicher Lehrer.“