Robotertechnik: Weiche Roboterpflänzchen

Roboter in Tierform sind bereits bekannt und verbreitet. Pflanzen werden aber auch als Vorbilder für die Roboterentwicklung herangezogen.

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Bei der Entwicklung von Robotern lassen sich Ingenieure oft von biologischen Vorbildern inspirieren. Zumeist orientieren sie sich dabei an Tieren wie Insekten, Schlangen oder Fischen. Aber auch Pflanzen können wertvolle Anregungen liefern. So haben Forscher der Stanford University den Weinroboter entwickelt, dessen Fortbewegung dem Wachstum einer Weinrebe gleicht, allerdings wesentlich schneller erfolgt.

Wie Margaret M. Coad in ihrer Präsentation im Rahmen der Robotikkonferenz ICRA erläutert, besteht dieser Roboter aus einer Basisstation, in der auf einer Spule ein in sich gefalteter Schlauch aus weichem Kunststoff aufgerollt ist. Beim Abwickeln dieses Schlauches wird sein Inneres nach außen gefaltet, sodass er sich an der Spitze Stück für Stück verlängert. Weil sich der Schlauch selbst, ähnlich einer Pflanzenwurzel, relativ zu seiner Umgebung nicht bewege, ließen sich auch rutschige oder klebrige Oberflächen problemlos überwinden, sagt Coad. Die Richtung ließe sich dabei mit einem speziellen Joystick steuern, dessen Form der des Schlauches nachempfunden ist.

Es habe für diesen technologischen Ansatz bisher mehrere Machbarkeitsstudien zur Navigation und zu Erkundungsaufgaben gegeben, sagt Coad. Außerdem habe der Weinroboter 2018 bei der Soft Robot Navigation Competition unter sieben Teilnehmern als einziger im ersten Versuch alle vier Aufgaben bewältigt: Er fand den Weg durch locker aufgestellte Kegel, ohne sie umzuwerfen, bewältigte Treppen, enge Durchgänge sowie eine Sandkiste.

Jetzt, so Coad, sei der Roboter erstmals bei einem Einsatz in realer Umgebung erprobt worden: Auf einer archäologischen Ausgrabungsstätte in Peru gelang es mit seiner Hilfe, Einblicke in verwinkelte, für Menschen unzugängliche Höhlengänge zu bekommen. Dafür wurde der Schlauch, der beim Wettbewerb noch aus Weich-Polyethylen bestand, aus robusteren TPU-beschichtetem Ripstop-Nylon gefertigt und an der Spitze mit einer Kamera bestückt. Diese Kamera steckt in einer starren, durchsichtigen Hülle, deren innerer Durchmesser etwas größer ist als der des Schlauchs, sodass sie von dem wachsenden Schlauch nach vorne geschoben wird.

Stanford researchers develop vine-like, growing robot

Der Weinroboter ist nicht der einzige pflanzenartige Roboter, mit dem das Stanford-Team experimentiert. In einem weiteren Konferenzbeitrag stellt Fabio Stroppa ein anderes Verfahren zur Steuerung solcher Roboter vor: das Body Interface. Hier werden die Bewegungen eines menschlichen Arms durch ein Motion Capture System erfasst und auf den Roboter übertragen. Dessen Basis ist an der Decke befestigt, sodass der weiche Arm aus Polyurethan in Richtung der Schwerkraft wächst. Die maximale Länge beträgt 1,5 m, der Durchmesser 10 cm.

Das Body Interface nutzt sieben Marker. Drei auf dem Oberkörper dienen als Referenzpunkte, die dem Operator volle Bewegungsfreiheit erlauben. Zwei Marker am Ellbogen und zwei am Handgelenk erfassen die Bewegungen des Arms. Auf diese Weise kann der Roboterarm abwärts, aufwärts und seitlich gesteuert werden. Drehungen des Handgelenks werden in Drehungen des Greifers umgesetzt.

Im Experiment mit 12 Teilnehmern sollten Objekte von einer Plattform gegriffen und auf unterschiedlich hohen Säulen abgelegt werden. Dabei wurden die Genauigkeit der Platzierung und die benötigte Zeit gemessen sowie die Arbeitsbelastung der Versuchspersonen mithilfe des Nasa-TLX-Fragebogens erfasst. Die Platzierungen waren zu 97 Prozent erfolgreich, wobei das Ablegen mehr Zeit erforderte als das Greifen, abhängig von der Entfernung zum jeweiligen Ziel. Das hatte aber, wie Stroppa betont, damit zu tun, dass der Roboterarm einfach länger brauchte, um dorthin zu wachsen, nicht mit erhöhter Schwierigkeit. Tatsächlich empfanden die Teilnehmer das Greifen als etwas schwieriger.

Ein verbesserter Tastsinn könnte helfen, nicht nur beim Greifen. Auch die Interaktion von Menschen mit weichen Robotern würde davon profitieren, sagt Isabella Huang, die sich an der University of California Berkeley mit diesem Thema beschäftigt. Weiche Roboter seien inherent sicher und daher für den physischen Kontakt mit Menschen besonders gut geeignet. Die gängigen elektronischen Sensoren dagegen sind hart. Huang arbeitet stattdessen mit einer aufgeblasenen Silikonhülle, deren Verformung von innen durch eine Tiefenkamera gemessen wird.

Die geometrische Form der Objekte, die mit dem Sensor in Kontakt kommen, lasse sich auf diese Weise leicht bestimmen, so Huang. Die Messung der dabei wirkenden Kräfte ist ein größeres Problem: Huang testete die Kraftwahrnehmung des Sensors mit zwei verschiedenen Anwendungsszenarien: Einmal sollte er den Druck eines menschlichen Fingers erkennen, der die Position des Roboters korrigieren will. Im anderen Szenario sollte der Roboter einen menschlichen Unterarm entlasten, dabei aber dessen Bewegungen folgen können. Für beide Szenarien wurden auf Grundlage experimentell erhobener Daten, neuronale Netze trainiert. Die erkannten die taktilen Signale auch sehr gut – aber nur in den Szenarien, mit deren Daten sie trainiert worden waren. Die Kombination beider Netze erwies sich dagegen in beiden Szenarien als unzuverlässig.

Es sei eine erheblich breitere und vielfältigere Datenbasis an Interaktionen erforderlich, wenn sich die Funktion des Sensors ausschließlich auf Lernverfahren stützen solle, so Huang. Für aussichtsreicher hält sie die Entwicklung eines modellbasierten Ansatzes, "der das Wissen über die Physik elastischer Schalen nutzt". Das würde "kompliziertere Interaktionen" mit dem Sensor ermöglichen: Er könnte dann zum Beispiel erkennen, wenn er gekniffen wird.

(kbe)