MIT-Ingenieure entwickeln wendige fliegende Mikroroboter, die den Insektenflug nachahmen

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der winzige, von Insekten inspirierte Flugroboter Katastrophenszenarien wie Erdbeben bewältigen, indem sie durch Trümmer hindurchfliegen und durch Räume navigieren, die größere Drohnen oder Maschinen nicht erreichen können. Aufgrund ihrer Größe und Beweglichkeit könnten diese Mikroroboter in Echtzeit manövrieren, um herabfallenden Trümmern auszuweichen. Diese Vorstellung mag sich wie Science-Fiction anfühlen, doch die Fortschritte des MIT bringen uns der Verwirklichung dieses Gedankens einen Schritt näher.

Fiktion in die Realität umsetzen

Bis vor kurzem konnten diese Mikroroboter in puncto Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit nicht ganz mit echten Insekten mithalten. Sie konnten zwar fliegen, aber es fehlte ihnen an der Beweglichkeit, die in einer dynamischen Umgebung erforderlich ist. Doch das ändert sich jetzt. Ingenieure des MIT haben ein KI-basiertes Steuerungssystem entwickelt, das die Leistung dieser Miniflieger erheblich verbessert. Es ist ein lobenswerter Durchbruch, denn die Roboter können nun schnelle, komplexe Manöver ausführen und eine insektenähnliche Luftakrobatik zeigen, wie z. B. zehn Saltos in nur 11 Sekunden.

KI-gesteuerter Flug

Das Geheimnis hinter dieser Leistung ist ein neuartiges zweiteiliges Steuerungssystem. Es sorgt für ein gekonntes Gleichgewicht zwischen hoher Leistung und Recheneffizienz und erhöht die Geschwindigkeit der Roboter um satte 450% und ihre Beschleunigung um 250%. Kevin Chen, außerordentlicher Professor an der MIT-Abteilung für Elektrotechnik und Informatik, stellt sich vor, wie seine Roboter durch Gebiete navigieren, in die herkömmliche Quadcopter nur schwer hineinfliegen können, genau wie Käfer.

Seit über fünf Jahren entwickelt Chens Labor Roboterinsekten, die etwa so groß wie eine Mikrokassette und leichter als eine Büroklammer sind. Die Roboter werden von weichen, künstlichen Muskeln angetrieben, die ihre Flügel mit unglaublicher Geschwindigkeit schlagen lassen. Das “Gehirn” oder die Steuerung des Roboters wurde jedoch von Ingenieuren manuell eingestellt, was seine Reaktionsfähigkeit und Beweglichkeit einschränkte. Um dies zu ändern, entwickelte das Team in Zusammenarbeit mit Professor Jonathan P. How und seinem Labor einen KI-gesteuerten Controller. Der daraus resultierende zweistufige Ansatz umfasst einen leistungsstarken modellprädiktiven Controller zur Planung komplexer Flugrouten und eine durch Nachahmung trainierte Deep-Learning-Strategie, die zur Ausführung dieser Pläne in Echtzeit verwendet wird.

Der Weg in die Zukunft

Die Verschmelzung von Hardware-Fortschritten und verbesserten Steuerungsalgorithmen haben dem Roboter die Fähigkeit verliehen, wendige Manöver mit bemerkenswerter Präzision durchzuführen. In Tests führte er 10 kontinuierliche Saltos aus und blieb dabei nur 4 bis 5 Zentimeter von seiner geplanten Flugbahn entfernt, selbst bei Windböen und Komplikationen durch ein Stromseil, das sich während des Fluges um ihn wickelte. Das Team hat seine Leistung als einen Schritt in Richtung zukünftiger Roboter in Insektengröße mit einer Agilität, die der eines biologischen Gegenstücks ähnelt, bezeichnet.

Darüber hinaus wurde in ihrer Studie auch ein Flugverhalten nachgeahmt, das als “Sakkadenbewegung” bekannt ist und bei Insekten beobachtet wird. Er neigt sich schnell und bremst ab, um die Sicht zu lokalisieren und zu stabilisieren - eine Funktion, die bei der Ausstattung von Mikrorobotern mit Kameras und Sensoren für die autonome Navigation im Freien hilfreich sein könnte. Chen ist begeistert, wie die Onboard-Sensorik die Kollisionsvermeidung und die koordinierte Navigation zwischen mehreren Bots unterstützen könnte.

Die Forscher sehen die Integration ähnlicher Fähigkeiten an Bord des Roboters selbst in zukünftigen Iterationen vor, selbst bei begrenzten Rechenressourcen. Für die Mikrorobotik-Gemeinschaft könnte dies einen großen Schritt in Richtung völlig autonomer Flugroboter in Insektengröße bedeuten.

Branchenexperten sehen bereits das Potenzial dieser Forschung. Sarah Bergbreiter, Professorin für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, die nicht an der Studie beteiligt war, lobte sie als einen Hinweis auf künftige Roboter in Insektengröße, die genauso beweglich sind wie ihre biologischen Gegenstücke. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis sich diese von Science-Fiction inspirierte Technologie emanzipiert und in unserer Welt große Fortschritte macht.

Diese bahnbrechende Forschung wurde von der National Science Foundation, dem Office of Naval Research, dem Air Force Office of Scientific Research, MathWorks und dem Zakhartchenko Fellowship unterstützt. Weitere Informationen über diesen bemerkenswerten Durchbruch finden Sie auf der Original-Pressemitteilung.