Raumfahrt: Roboter sollen zukünftig Menschen im Weltraum unterstützen
Die Menschheit wird in den nächsten Jahren immer mehr Raumstationen ins Weltall schicken und sie will Bodenstationen auf dem Mond und auf dem Mars errichten. Ein Forschungsteam aus Harvard(öffnet im neuen Fenster) ist von der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa beauftragt worden, widerstandsfähige und autonome Lebensräume im Weltraum und auf der Erde zu entwickeln.
Der Fokus lag dabei auf dem unerwarteten Auftreten von Störungen und darin, wie diese behoben werden können. Die Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) sollten autonome Roboter entwickeln, die in der Lage sein sollen, beschädigte Komponenten in einem Habitat zu reparieren oder zu ersetzen.
Der leitende Forschungsbeauftragte Justin Werfel formulierte dazu grundlegende Fragen: "Was passiert, wenn ein Meteorit das Habitat zwischen den Missionen beschädigt, während die Besatzung abwesend ist, um es zu reparieren? Was ist, wenn das während einer bemannten Zeit passiert? Die Astronauten haben vielleicht alle Hände voll zu tun mit anderen Notfällen."
Multifunktionale Roboter für einen Smart-Hub im Weltraum
Zusätzlich zu den Reparaturen können die Roboter für regelmäßige Wartungsaufgaben eingesetzt werden. Dazu gehören Tätigkeiten wie das Austauschen von Filtern oder Reinigungsmaßnahmen, die den Raumfahrern viel Zeit abverlangen. Roboter sollen so viele Arbeiten wie möglich in den sogenannten Smart-Hubs erledigen.
Seit 2019 arbeiten Werfel und seine Kollegen an dem Projekt. Sie haben bereits neue Roboterarme und -greifer, neue Systeme zur Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter sowie neue Wege zur Gestaltung roboterfreundlicher Ausrüstung entwickelt.
Eine der größten Herausforderungen wird die Multifunktionalität sein. Auf der Erde sind die meisten Industrieroboter hoch spezialisiert und führen nur wenige spezifische Aufgaben aus. In Weltraumhabitaten ist jedoch kein Platz für Dutzende von spezialisierten Robotern. Einer oder wenige multifunktionale Roboter müssen daher so viele verschiedene Aufgaben wie möglich übernehmen. Dazu gehören auch Notfallreparaturen.
Ein Greifer aus Scherengliedern für den Weltraum
Entsprechend arbeitete das Seas-Team an der Entwicklung von Multimode-Greifern. Diese können ihre Form ändern, um verschiedene Arten von Objekten auf unterschiedliche Weise zu greifen. "Menschliche Hände können sich an viele Aufgaben anpassen, einschließlich solcher, die hohe Präzision oder hohe Kräfte erfordern - oder Nachgiebigkeit" , erklärt Robert Wood, Professor für Ingenieur- und angewandte Wissenschaften am Seas.
So entstand etwa ein Greifer mit Fingern aus sogenannten Scherengliedern. Die Finger können neu konfiguriert werden, um die Anzahl der Gelenke im Finger zu ändern. Ein Artikel dazu wurde im Dezember 2023 in der Fachzeitschrift IEEE veröffentlicht(öffnet im neuen Fenster) . Der Greifer besteht aus drei Modi:
- Im ersten Modus sind die Finger kurz und biegen sich nicht, so dass sie Objekte fest und sicher greifen können.
- Im zweiten Modus werden die Finger um ein Gelenk erweitert, damit der Greifer ein Objekt in der Hand bewegen und drehen kann, ohne es dabei loszulassen.
- Im dritten Modus kommen zwei weitere Gelenke hinzu, die es den Fingern ermöglichen, sich passiv an die Form eines Objekts anzupassen und den Anpressdruck zu verteilen. Besonders für unregelmäßig geformte oder empfindliche Objekten ist dies eine nützliche Fähigkeit.
Kleine Smart-Hubs können keine großen Maschinen beherbergen
Die ersten Smart-Hubs werden vermutlich die Größe eines Wohnmobils haben. Diese werden zudem vollgestopft sein, mit Geräten, erklärt das Forschungsteam. Herkömmliche starre Roboter sind in einer solchen Umgebung weniger gut geeignet. Es braucht also weiche, sich verformbare Roboter, die sich leichter in enge Räume zwängen können.
Damit das nicht gleichzeitig zum Kräfteverlust führt, entwickelte das Rethi-Roboterteam (Institut Resilient Extra Terrestrial Habitats; Institut für widerstandsfähige extraterrestrische Lebensräume) einen weichen Roboterarm(öffnet im neuen Fenster) , der sich versteifen kann. Dadurch erhöht er seine Kraft- und Nutzlastkapazität. Dafür wurde der Arm mit zwei individuell gesteuerten Segmenten ausgestattet.
Jedes Segment besteht aus weichen Gelenken, die einzeln nur einen kleinen Bewegungsspielraum haben. Zusammen können sie den Arm um 90 Grad beugen. Einige wenige Aktuatoren, die entlang der Wirbelsäule und der Gelenke angebracht sind, können eine lokale Versteifung des Körpers bewirken. Der Arm kann dadurch einen schweren Gegenstand aufheben oder bewegen.
Roboter sollten den Anweisungen von Menschen folgen
Einige Aufgaben erfordern auch Kooperationen. Dazu gehört das Bewegen von großen oder schweren Geräten wie Solarzellen und Satellitenschüsseln. Das Forschungsteam entwickelte eine Methode, bei der autonome Roboter der menschlichen Führung folgen, indem sie einfach die auf ein Objekt ausgeübte Kraft messen. Dabei kennen die Roboter weder die Details der Aufgabe noch das Ziel.
Wenn etwa ein Astronaut Hilfe beim Verschieben eines Solarpanels benötigt, könnte er seine Hand auf das Panel legen und den Roboter in die richtige Richtung lenken. Er muss dem Roboter seine Absicht dabei nicht ausdrücklich mitteilen(öffnet im neuen Fenster) . "Der menschliche Anführer kann eine Kraft ausüben und die Roboter folgen diesem Signal" , erklärt Nicole Carey, eine ehemalige Postdoktorandin am Seas.
An Roboter anpassen und nicht an Menschen anpassen
"Anstatt den Roboter auf das Niveau des Menschen zu bringen, versuchen wir, die Aufgaben auf das Niveau des Roboters zu bringen und etwas zu bauen, das sowohl von Robotern als auch von Menschen leicht bedient werden kann" , so Werfel.
Das Team hatte bereits 2022 ein Konzept für die Entwicklung roboterfreundlicher Hardware vorgestellt. Wo zuvor eine geschickte zweihändige Handhabung für die Arbeit erforderlich war, kann sie nun mit einem einzigen Roboterarm (mit einem Standard-Parallelbackengreifer; parallel-jaw gripper) erledigt werden. "Bei allem, was Rethi tut, geht es darum, Werkzeuge für künftige Lebensraumgestalter zu schaffen" , so Werfel.
Entsprechend testet das Team gerade in einer kombinierten physischen und virtuellen Simulation, ein von einem Meteoriteneinschlag hinterlassenes Loch von einem Roboterarm flicken zu lassen. "Es wird für Missionen nicht möglich sein, Probleme gänzlich zu vermeiden. Also wird es die Fähigkeit unserer Technologie sein, mit Problemen umzugehen, wenn sie auftauchen" , so Werfel.
Der Einsatz von Robotertechnologie soll auch bei anderen Weltraumprojekten verwendet werden. Da wäre beispielsweise China, das den Aufbau seiner geplanten Mondbasis mit Robotern umsetzen will . Auch rotierende Weltraumhabitate könnten mit der Hilfe von vielen kleinen Robotern, die als Schwarm agieren, entstehen.
Zu den Studien
Die Studie von Dezember 2023 wurde in der Fachzeitschrift IEEE publiziert: Transformable Linkage-Based Gripper for Multi-Mode Grasping and Manipulation(öffnet im neuen Fenster) (Transformierbarer Greifer auf Basis von Gliedern für multimodales Greifen und Manipulieren).
Die Rethi-Forschungsarbeit erschien am 30. August 2023 im Fachmagazin Science Robotics: Increasing the payload capacity of soft robot arms by localized stiffening(öffnet im neuen Fenster) (Erhöhung der Nutzlastkapazität von weichen Roboterarmen durch lokale Versteifung).
Zum Autodesk-Paper: A force-mediated controller for cooperative object manipulation with independent autonomous robots(öffnet im neuen Fenster) (Eine kraftvermittelte Steuerung für kooperative Objektmanipulation mit unabhängigen autonomen Robotern).