Von der Natur inspirierter Federstern-Roboter meistert dreidimensionale Unterwassermanöver
Forschende der North Carolina State University nutzen mechanische Intelligenz und zwei Aktuatoren für vollständige dreidimensionale Bewegungen im Wasser.
Von Letizia Giugliano
2 Min. LesezeitHuman-Edited, AI-Assisted
Automatisch aus dem englischen Original übersetzt Original lesen
Ingenieure der North Carolina State University haben einen Wasserroboter nach dem Vorbild des marinen Federsterns entwickelt, der sich in drei Dimensionen durch Unterwasserumgebungen bewegt. Die neue Erfindung erreicht multidirektionales Schwimmen und Schweben mit nur zwei Aktuatoren und setzt dabei auf intelligentes Strukturdesign statt auf komplexe elektronische Steuerungssysteme.
Überwindung der Manövrierbarkeitsbarriere in der Unterwasserrobotik
Maschinen zu entwickeln, die natürlich durch tiefes Wasser schwimmen, bringt seit Langem gravierende technische Kompromisse in der Unterwasser-Robotik mit sich. Ein Forschungsteam der North Carolina State University hatte zuvor einen schnellen Wasserroboter nach dem Vorbild von Manta-Rochen entwickelt, wie New Atlas berichtete. Zwar zeigte diese frühere Maschine einen schnellen Vortrieb, doch sie litt unter einer entscheidenden Einschränkung: Es fehlte ihr die vollständige dreidimensionale Manövrierfähigkeit, sodass Steuern, Aufsteigen und Drehen ohne erhebliches Zusatzgewicht und mechanischen Ballast schwierig waren.
„Normalerweise bräuchte man mindestens sechs Aktuatoren, um das zu erreichen. Dank seines Strukturdesigns erreichen wir diese Bewegungsvielfalt beim Federstern-Roboter mit nur zwei Aktuatoren.“
— Jie Yin, korrespondierender Autor, North Carolina State University
Mechanische Intelligenz nach dem Vorbild des Federsterns
Um diese Einschränkung zu lösen, wandten sich die Ingenieure den Crinoiden zu, allgemein als Federsterne bekannt. Diese marinen Wirbellosen nutzen mehrere flexible, federartige Anhängsel, um ihre Bewegung in der Wassersäule reibungslos zu koordinieren. Bei herkömmlichen Roboterplattformen erfordert ein vergleichbares Maß an mehrachsiger Mobilität in der Regel mindestens sechs eigene Motoren oder Aktuatoren. Das Universitätsteam umging diese Last mit mechanischer Intelligenz – einem ingenieurtechnischen Ansatz, bei dem physische Geometrie und Materialeigenschaften Bewegungen ausführen, die sonst komplexe Steueralgorithmen und schwerere Hardware erfordern würden, wie New Atlas ausführt.
Drei verschiedene Schwimmmodi mit nur zwei Aktuatoren
Die Innovation beruht auf einem Strukturdesign mit elastischen Gliedmaßen, die von nur zwei Aktuatoren gesteuert werden. Durch Anpassung der Ansteuerung dieser beiden Eingaben wechselt die Maschine zwischen drei verschiedenen Bewegungsmodi. Im Quallenmodus lösen beide Aktuatoren gleichzeitig aus und drücken die federartigen Anhängsel nach unten, wodurch die Einheit nach oben getrieben wird; da die Flügel monostabil sind, kehren sie von selbst in ihre Ruheform zurück, sodass die Maschine sinken oder schweben kann. Im Fischmodus erzeugt die Ansteuerung eines einzelnen Aktuators asymmetrische Schläge, die den Roboter vorwärts oder rückwärts bewegen. Im Rotormodus schließlich ermöglichen abwechselnde Impulse zwischen den beiden Aktuatoren dem Gerät, sich sauber um seine Mittelachse zu drehen, so New Atlas.
Mögliche Anwendungen für die Meeresforschung
Die Straffung der Wasserbewegung durch Strukturmechanik bietet eine leichtere, zuverlässigere Plattform für den Unterwassereinsatz, ohne die Bordbatterien übermäßig zu belasten. Laut der von New Atlas dokumentierten Forschungsgruppe könnten künftige Versionen dieser Erfindung Unterwasserkameras für die ökologische Überwachung tragen, untergetauchte Objekte bergen und heben oder kooperative Aufgaben gemeinsam mit anderen marinen Robotereinheiten koordinieren.
Lesen Sie auch bei The Patent: Im Labor gezüchtete Neuronen entschlüsseln Braille und steuern Roboterhunde · KI-Unkrautbekämpfung läutet eine dritte landwirtschaftliche Revolution ein
