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Physische Intelligenz

Clever wuselnde „Spirelli-Roboter“

Sie sehen aus wie durchsichtige Spirelli-Nudeln – doch es handelt sich um Softroboter mit erstaunlichen Fähigkeiten. © Yao Zhao

Sie besitzen weder Steuerungstechnik noch Batterien: Forscher haben raffiniert-simple Softroboter entwickelt, die nur durch ihre sogenannte physische Intelligenz und mittels Energie aus der Umwelt durch komplexe Umgebungen navigieren können. Die Spirelli-Nudeln gleichenden Gebilde aus einem verdrehten Streifen Flüssigkristall-Elastomer setzen sich auf warmen Oberflächen in gerichtete Bewegung und können sich dabei sogar aus Labyrinthen herauswinden. Das Prinzip könnte der Entwicklung von neuen Konzepten in der Robotik zugutekommen, sagen die Wissenschaftler.

Sie sollen mit speziellen Herausforderungen der Umwelt zurechtkommen und selbständig Missionen erfüllen können: Forscherteams auf der ganzen Welt tüfteln derzeit an Robotern mit vielen unterschiedlichen Merkmalen und für verschiedene Anwendungsbereiche. Eine spezielle Sparte bildet dabei die sogenannte Softrobotik: Statt harter Strukturen setzen Entwickler dabei weiche Materialien ein, um Roboter mit „sanften“ und flexiblen Eigenschaften herzustellen. Gesteuert werden auch sie in der Regel durch den Menschen oder mittels Elektronik, die auf einer integrierten Datenverarbeitung basiert.

Material und Struktur statt aufwendiger Technik

Doch die Navigationsfähigkeiten der Softroboter, die nun die Forscher um Jie Yin von der North Carolina State University präsentieren, basiert nicht auf externer Lenkung oder integrierter Software. „Unsere Designs demonstrieren ein Konzept, das als physische Intelligenz bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Struktur und die intelligenten Materialien es dem Softroboter ermöglichen, sich in verschiedenen Situationen zurechtzufinden, im Gegensatz zu rechnerischer Intelligenz“, erklärt Yin. Das Konzept ihrer Entwicklung wirkt auch entsprechend simpel: Bei ihren Softrobotern handelt es sich um verdrehte Bänder aus Flüssigkristall-Elastomer-Material, die aussehen wie durchsichtige Spirelli-Nudeln.

Das Geheimnis ihrer Bewegungsfähigkeit sind die starken Reaktionen des Kunststoffmaterials auf Temperaturunterschiede: Legt man eines der Gebilde auf eine Oberfläche, die mindestens 55 Grad Celsius warm ist, ziehen sich die Teile des verdrehten Bandes, die die Oberfläche berühren, durch die Erwärmung zusammen. Die erhobenen Teile, die nur der kühleren Luft ausgesetzt sind, bleiben hingegen unverändert. Diese Prozesse lösen dann Dynamiken aus, die zu einer gerichteten Rollbewegung des Gebildes führen, erklären die Wissenschaftler. Je wärmer die Oberfläche ist, desto schneller windet sich der Roboter dabei vorwärts. „Ähnliches wurde bereits bei Stäben mit glatten Seiten gezeigt, aber diese einfache Form besaß den Nachteil, dass sich das Objekt einfach nur an Ort und Stelle dreht, wenn sie auf ein Hindernis trifft, „, sagt Yin. „Der Softroboter, den wir in Form eines gedrehten Bandes hergestellt haben, ist hingegen in der Lage, solche Hindernisse zu umgehen, ohne dass ein Mensch oder ein Computer eingreifen muss.“

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„Hirnlos“ clever unterwegs

Den Forschern zufolge gelingt dem „Spirelli-Roboter“ dies auf zwei Arten: Wenn ein Teil des Gebildes auf ein Objekt stößt, kann es sich seitlich drehen, um sich um das Hindernis herumzubewegen. Zweitens kommt es zu einer Art Schnapp-Effekt, wenn der mittlere Teil des Roboters auf ein Objekt trifft. Durch die weitere Bewegung mit teilweiser Behinderung sammelt er Verformungsenergie an, die sich dann abrupt entladen kann. Dies führt dazu, dass der Roboter leicht springt, wodurch auch eine neue Ausrichtung möglich wird. Auf diese Weise kann er schließlich wieder auf freie Bahn gelangen und seinen Weg durch einen Hindernisparcours fortsetzen.

Was das Konzept alles leisten kann, verdeutlichten die Wissenschaftler durch verschiedene Experimente. Die Roboter waren demnach in der Lage, sich über unterschiedlich strukturierte Unterlagen zu bewegen – einschließlich körniger Oberflächen. Dabei konnten sie sogar sandige Hindernisse mit einer Neigung von bis zu 15 Grad überwinden. Die physische Intelligenz zeigte sich vor allem bei Einsätzen in Labyrinth-Systemen: Nur durch das Material und das strukturelle Design konnten die simplen Gebilde ohne Hilfe den Weg zum Ausgang finden. „Das Prinzip ist ähnlich wie bei den autonom fahrenden Staubsaugerrobotern, die viele Menschen zu Hause benutzen“, sagt Yin. „Nur dass der von uns entwickelte Softroboter seine Energie aus seiner Umgebung bezieht und ohne Computerprogrammierung auskommt“.

Wie das Team abschließend betont, ist das Konzept mehr als eine kuriose Spielerei: „Das System ist interessant und macht Spaß, aber noch wichtiger ist, dass es neue Erkenntnisse darüber liefert, wie wir weiche Roboter entwerfen könnten, die in der Lage sind, Wärmeenergie aus natürlichen Umgebungen zu gewinnen und sich autonom in komplexen, unstrukturierten Umgebungen wie Straßen und rauen Wüsten zu bewegen“. sagt Yin.

Quelle: North Carolina State University, Fachartikel: Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2200265119

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♦ An|thro|po|so|phie  〈f. 19; unz.〉 von R. Steiner (1861–1925) begründete Lehre vom Menschen in seiner Beziehung zur übersinnl. Welt

♦ Die Buchstabenfolge an|thr… kann in Fremdwörtern auch anth|r… getrennt werden.
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