Roboter vs. Tiere: Wer gewinnt das Rennen in der Natur?

Zusammenfassung: Forscher haben herausgefunden, ob moderne Roboter biologische Organismen in Bezug auf Geschwindigkeit und Beweglichkeit übertreffen können. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Tiere trotz technischer Fortschritte in natürlichen Umgebungen Robotern immer noch die Effizienz ihrer Lokomotiven übertreffen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Integration von Roboterkomponenten hinter dem bei Tieren beobachteten kohärenten Prozess auf Systemebene zurückbleibt. Diese Vision treibt die Entwicklung integrierterer und anpassungsfähigerer Robotersysteme voran, die vom Design der Natur inspiriert sind.

Wichtige Fakten:

1. Robotische versus biologische Effizienz: Die Studie bestätigt, dass einzelne Roboter-Subsysteme wie Kraft und Betätigung mit ihren biologischen Gegenstücken mithalten oder diese übertreffen können, Roboter jedoch nicht so gut funktionieren wie Tiere, wenn diese Systeme kombiniert werden.
2. Inspirierende biologische Modelle: Die Forschung zeigt, wie Tiere wie Wolfsspinnen und Kakerlaken aufgrund ihrer integrierten und vielseitigen biologischen Systeme in komplexem Gelände und bei komplexen Aufgaben hervorragende Leistungen erbringen.
3. Zukünftige technische Trends: Die Ergebnisse ermutigen Ingenieure, das Roboterdesign zu überdenken und fordern einen stärker integrierten Ansatz, ähnlich wie bei biologischen Systemen, bei denen verschiedene Funktionen in einzelnen Komponenten kombiniert werden.

Quelle: Universität von Colorado

Vielleicht handelt es sich bei der Frage um eine Version des Märchens von der Schildkröte und dem Hasen aus dem 21. Jahrhundert: 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 Lebewesen wie Geparden, Kakerlaken und sogar Menschen in der Lage zu sein, ihre robotischen Gegenstücke zu übertreffen.

Die Forscher unter der Leitung von Samuel Borden von der University of Washington und Maxwell Donnellan von der Simon Fraser University veröffentlichten ihre Ergebnisse letzte Woche in der Zeitschrift. Wissenschaftliche Robotik.

„Als Ingenieur ist das irgendwie nervig“, sagte Jayaram, Assistenzprofessor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering der University of Colorado Boulder. „Über 200 Jahre umfangreicher Ingenieurskunst konnten wir Raumschiffe zum Mond, zum Mars und zu vielen anderen Orten schicken. Es ist jedoch rätselhaft, dass wir noch keine Roboter haben, die sich in natürlichen Umgebungen viel besser bewegen können als biologische Systeme.“

Er hofft, dass diese Studie Ingenieure dazu inspirieren wird, zu lernen, wie man intelligentere, anpassungsfähigere Roboter baut. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das Versagen von Robotern, Tiere zu übertreffen, nicht auf einen Mangel an Maschinen wie Batterien oder Motoren zurückzuführen ist. Stattdessen könnte es für Ingenieure schwierig sein, dafür zu sorgen, dass diese Teile effizient zusammenarbeiten.

Dieses Streben ist eine von Jayarams Hauptleidenschaften. 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 erstaunlicher Geschwindigkeit über komplexes Gelände rennen, um Beute zu fangen.“

Er stellt sich eine Welt vor, in der Ingenieure Roboter bauen, die sich eher wie diese ungewöhnlichen Spinnen verhalten.

„Die Tiere sind gewissermaßen die Verkörperung dieses ultimativen Gestaltungsprinzips, eines Systems, das gut zusammenarbeitet“, sagte er.

Kakerlakenenergie

Frage „Wer kann besser laufen, Tiere oder Roboter?“ Es ist kompliziert, weil die Operation selbst kompliziert ist.

In früheren Forschungen haben Jayaram und seine Kollegen von der Harvard University eine Gruppe von Robotern entworfen, die aversives Kakerlakenverhalten nachahmen sollen. Das HAMR-Jr-Modell des Teams passt in eine Münze und läuft mit einer Geschwindigkeit, die der eines Geparden entspricht. Jayaram bemerkte jedoch, dass sich der HAMR-Jr zwar vorwärts und rückwärts bewegen kann, sich aber nicht gut von einer Seite zur anderen oder auf unebenem Gelände bewegen kann.

Im Gegensatz dazu hat die bescheidene Kakerlake kein Problem damit, über Oberflächen von Porzellan bis hin zu Schmutz und Kies zu laufen. Sie können auch Wände einreißen und sich durch kleine Risse zwängen.

Um zu verstehen, warum diese Vielfalt eine Herausforderung für die Robotik 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 einige dieser Subsysteme ihren tierischen Gegenstücken nicht nachzukommen.

Beispielsweise können hochwertige Lithium-Ionen-Batterien pro Kilogramm Gewicht bis zu 10 Kilowatt Energie liefern. Im Gegensatz dazu produziert tierisches Gewebe etwa ein Zehntel davon. Mittlerweile können Muskeln das absolute Drehmoment vieler Motoren nicht annähernd erreichen.

„Aber auf Systemebene sind die Roboter nicht gut“, sagte Jayaram. „Wir sind mit inhärenten Design-Kompromissen konfrontiert. Wenn wir versuchen, eine Sache zu verbessern, 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?

Jayaram stellte fest, dass Tiere nicht wie Roboter in separate Subsysteme unterteilt sind. Zum Beispiel treibt Ihr Quadrizeps Ihre Beine an, so wie HAMR-Jr-Motoren Ihre Gliedmaßen antreiben. Aber die Quadrizeps produzieren auch ihre eigene Kraft, indem sie Fette und Zucker abbauen und Nervenzellen integrieren, die Schmerzen und Druck wahrnehmen können.

Jayaram glaubt, dass die Zukunft der Robotik auf „funktionale Untereinheiten“ beschränkt sein könnte, die dasselbe tun: Anstatt die Stromversorgung von Motoren und Leiterplatten getrennt zu halten, warum nicht alle in einem Teil integrieren?

In einer Arbeit aus dem Jahr 2015 schlug der Informatiker Nicholas Curiel, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, solche theoretischen „Robotermaterialien“ vor, die sich eher wie Quads verhalten würden.

Von diesem Ziel sind die Ingenieure noch weit entfernt. Einige, wie Jayaram, unternehmen Schritte in diese Richtung, wie zum Beispiel mit dem Articulated Arthropod Insect Robot (CLARI) seines Labors, einem mehrbeinigen Roboter, der sich ein bisschen wie eine Spinne bewegt.

Jayaram erklärte, dass CLARI auf einem modularen Design basiert, wobei jedes seiner Beine wie ein eigenständiger Roboter mit eigenem Motor, Sensoren und Steuerkreisen fungiert. Die neue und verbesserte Version des Teams namens mCLARI kann sich auf engstem Raum in alle Richtungen bewegen, eine Premiere für vierbeinige Roboter.

Es ist etwas anderes, was Ingenieure wie Jayaram von den typischen Jägern, den Wolfsspinnen, lernen können.

„Die Natur ist ein wirklich hilfreicher Lehrer.“

Über Neuigkeiten aus der Robotik- und Neurotechnologieforschung

Autor: Daniel Strain
Quelle: Universität von Colorado
Kommunikation: Daniel Strain – Universität von Colorado
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Offener Zugang.
„Warum können Tiere Roboter übertreffen?„Von Kaushik Jayaram et al. Wissenschaftliche Robotik

eine Zusammenfassung

Warum können Tiere Roboter übertreffen?

Tiere können viel besser rennen als Roboter. Der Leistungsunterschied entsteht in den wichtigen Dimensionen Agilität, Reichweite und Haltbarkeit.

Um die Gründe für diese Leistungslücke zu verstehen, vergleichen wir natürliche und künstliche Technologien in fünf kritischen Betriebssubsystemen: Leistung, Rahmen, Betätigung, Erfassung und Steuerung.

Mit wenigen Ausnahmen erreichen oder übertreffen technische Technologien die Leistung ihrer biologischen Gegenstücke.

Wir kommen zu dem Schluss, dass der Vorteil der Biologie gegenüber der Technik auf einer besseren Integration von Subsystemen beruht, und wir identifizieren vier Haupthürden, die Robotiker überwinden müssen.

Um dieses Ziel zu erreichen, heben wir vielversprechende Forschungsrichtungen hervor, die ein enormes Potenzial haben, zukünftigen Robotern zu Leistungen auf Tierniveau zu verhelfen.