Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der winzige, von Insekten inspirierte Flugroboter bei Katastrophen wie Erdbeben zum Einsatz kommen, sich durch Trümmer schlängeln und sich an Orten zurechtfinden, die für größere Drohnen oder Maschinen unzugänglich sind. Aufgrund ihrer Größe und Wendigkeit könnten diese Mikroroboter in Echtzeit Manöver ausführen, um herabfallenden Trümmern auszuweichen. Auch wenn diese Vorstellung wie Science-Fiction klingt, bringen uns die Fortschritte des MIT der Verwirklichung dieses Ziels ein Stück näher.
Bis vor kurzem konnten die Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit dieser Mikroroboter noch nicht ganz mit denen echter Insekten mithalten. Sie konnten zwar fliegen, verfügten jedoch nicht über die in einer dynamischen Umgebung erforderliche Beweglichkeit. Doch all das ändert sich nun. Ingenieure am MIT haben ein KI-basiertes Steuerungssystem entwickelt, das die Leistungsfähigkeit dieser Mini-Flieger deutlich verbessert. Es ist ein bemerkenswerter Durchbruch, da die Roboter nun schnelle, komplexe Manöver ausführen und insektenähnliche Luftakrobatik zeigen können, wie zum Beispiel 10 Saltos in nur 11 Sekunden.
Das Geheimnis hinter dieser Leistung ist ein neuartiges, zweiteiliges Steuerungskonzept. Es schafft einen gekonnten Ausgleich zwischen hoher Leistung und Recheneffizienz und steigert die Geschwindigkeit der Roboter um satte 450% sowie ihre Beschleunigung um 250%. Kevin Chen, außerordentlicher Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik des MIT, stellt sich vor, wie ihre Roboter – genau wie Insekten – Gebiete durchqueren, in die herkömmliche Quadcopter nur schwer vordringen können.
Seit über fünf Jahren entwickelt Chens Labor Roboterinsekten, die etwa so groß wie eine Mikrokassette und leichter als eine Büroklammer sind. Angetrieben werden die Roboter von weichen, künstlichen Muskeln, die ihre Flügel mit unglaublicher Geschwindigkeit schlagen. Das “Gehirn” bzw. die Steuerung des Roboters wurde jedoch von Ingenieuren manuell abgestimmt, was seine Reaktionsfähigkeit und Beweglichkeit einschränkte. Um dies zu überwinden, entwickelte das Team in Zusammenarbeit mit Professor Jonathan P. How und seinem Labor eine KI-gesteuerte Steuerung. Der daraus resultierende zweistufige Ansatz umfasst einen leistungsstarken modellprädiktiven Regler zur Planung komplexer Flugbahnen sowie eine durch Imitation trainierte Deep-Learning-Strategie, mit der diese Pläne in Echtzeit ausgeführt werden.
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 konnte in ihrer Studie ein Flugverhalten nachgebildet werden, das als “Sakkadenbewegung” bekannt ist und bei Insekten beobachtet wird. Dabei erfolgt eine rasche Neigungsänderung und Abbremsung, um die Sicht zu fokussieren und zu stabilisieren – eine Funktion, die dazu beitragen könnte, Mikroroboter mit integrierten Kameras und Sensoren für die autonome Navigation im Freien auszustatten. Chen teilt seine Begeisterung darüber, zu erforschen, wie integrierte Sensoren die Kollisionsvermeidung und die koordinierte Navigation zwischen mehreren Robotern unterstützen könnten.
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 erkennen bereits das Potenzial dieser Forschung. Sarah Bergbreiter, Professorin für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, die nicht an der Studie beteiligt war, lobte diese als Wegweiser für zukünftige Roboter in Insektengröße, deren Beweglichkeit der ihrer biologischen Vorbilder in nichts nachsteht. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis wir miterleben, wie diese von Science-Fiction inspirierte Technologie Realität wird, neue Wege beschreitet und in unserer Welt enorme 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.
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