Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/festo-ameisenroboter-krabbeln-koordiniert-1504-113526.html    Veröffentlicht: 15.04.2015 18:51    Kurz-URL: https://glm.io/113526

Festo

Ameisenroboter krabbeln koordiniert

Was haben Ameisen mit modernster industrieller Fertigung zu tun? Das schwäbische Unternehmen Festo hat Roboter nach dem Vorbild der Ameisen konstruiert. Die Roboter koordinieren sich, um gemeinsam eine Aufgabe erledigen. Das sollen Maschinen künftig auch.

Nach dem Fliegen und Hüpfen ist dieses Jahr das Krabbeln dran: Das Esslinger Unternehmen Festo stellt auf der Hannover Messe Roboter in Form von Ameisen vor (Halle 15, Stand D07). Anhand dieser Roboter will Festo Schwarmverhalten zeigen, das dezentral koordiniert wird.

Bionic Ants heißen die knapp 14 Zentimeter großen Roboter. Wie ihr natürliches Vorbild bewegen sie sich auf sechs Beinen fort. Angetrieben werden sie nicht von Motoren. Um die Ameisen so filigran bauen zu können, haben die Entwickler Piezoelemente als Aktoren verbaut.

Aktoren biegen sich unter Spannung

"Das sind Keramiken, die auch auf einer Karbonplatte aufgebracht werden", sagt Projektleiter Elias Knubben im Gespräch mit Golem.de. "Bei einer Spannung von 300 Volt entsteht eine ganz leichte Biegung. Diese Biegung können wir mit entsprechenden Hebelübersetzungen nutzen, um uns fortzubewegen." Neben den Beinen werden auch die Mundwerkzeuge, die Mandibeln, von Piezoelementen bewegt.

Das Biotop auf dem Messestand ist ein großes Spielfeld, das von einer gemusterten Bande begrenzt wird. Einige der Ameisen stehen am Rand und berühren mit ihren Fühlern einen umlaufenden Draht: Sie laden gerade ihren Akku. Andere Ameisenroboter trippeln über die Anlage und suchen nach einem der 3D-gedruckten Objekte darauf. Trifft einer der Roboter auf ein solches Objekt, beginnt er, es vor sich her zu schieben. Ist das Objekt zu schwer, um es allein zu bewegen, ruft er andere Roboter herbei, die ihm helfen sollen.

Roboameisen kommunizieren per Funk

Per Funk teile die Roboameise den anderen ihre Position mit, dass sie dort eine Last gefunden habe und Hilfe benötige, um sie an einen Ort zu verschieben, erklärt Knubben. Dazu ist es zunächst wichtig, dass sie weiß, wo auf dem Feld sie sich gerade befindet. Dafür ist sie mit verschiedenen Sensoren ausgestattet, die zusammenarbeiten.

In ihrem Kopf steckt eine Stereokamera, die dreidimensionale Bilder aufnimmt. Der Roboter orientiert sich an der Bande, die Muster dienen als Referenz. Ihre Bewegungen auf dem Untergrund erfasst sie mit einem optischen Sensor am Bauch - die Funktionsweise ähnelt der einer optischen Maus. Hinzu kommen schließlich ein Kompass und ein Magnetometer. "Aus dem Zusammenspiel dieser Sensorik kann man einigermaßen gut erkennen, wo man sich befindet", sagt Knubben. "Wenn man die Positionen der einzelnen Ameisen kennt, kann man auch berechnen, wie sie sich zueinander bewegen müssen."

Daten werden auf dem Roboter verarbeitet

Die Ameisen werden nicht ferngesteuert, sondern kommunizieren und agieren autonom. Die Datenverarbeitung geschieht auf dem Roboter selbst. Um all diese Funktionen durchzuführen zu können, sei viel Intelligenz auf engem Raum notwendig, sagt Knubben. Dazu gehören ein Cortex-M4-Prozessor und ein Funkmodul. Ein Lithium-Polymer-Akku im mittleren Körpersegment versorgt den Roboter mit Energie.

Anders als bei früheren Robotern, etwa dem 2014 präsentierten Känguru ist das alles nicht unter einer Außenhaut versteckt. Die Elektronik sitzt auf dem Rücken, ist also sichtbar: der Prozessor, die Ladeschaltung, die Leiterbahnen.

Leiterbahnen verlaufen auf dem Körper

Letztere sind besonders auffällig, da sie über den ganzen Körper laufen. Über die Leiterbahnen werden Steuersignale und Spannung an Aktoren übertragen. Dass die Elektronik offenliegt - die goldenen Leiterbahnen stellen einen schönen Kontrast zum schwarzen Körper dar -, trägt neben der filigranen Gestalt zum schicken Aussehen der Roboter bei.

Beim Bau des Körpers hat Festo zwei Fertigungstechniken kombiniert.

Ameisenverhalten für die Industrie 4.0

Beide sind relativ jung: 3D-Druck und das sogenannte 3D-MID (Molded Interconnect Device, etwa: spritzgegossener Schaltungsträger). Der dreiteilige Insektenkörper wurde per selektivem Lasersintern aus einem Polyamidpulver aufgebaut. Anschließend wurden die Leiterbahnen direkt auf den Körper aufgebracht.

Allerdings geht es Festo bei den Ameisen nicht nur um den Roboter selbst - so gelungen der auch ist -, sondern um das Schwarmverhalten: "Die Ameisen sind bekannt dafür, dass sie zusammenarbeiten und im Kollektiv in der Lage sind, eine Aufgabe zu lösen", sagt Knubben. Das haben die Entwickler nachgebildet: Die Roboter können sich lokalisieren, sie kommunizieren und können sich koordinieren. Das soll auf Industriesysteme übertragen werden.

Keine Ameisen in der Fabrik

"Natürlich muss man sich das im übertragenen Sinne vorstellen: Im Kontext der Industrieautomatisierung werden keine Ameisen arbeiten", sagt Knubben. "Es werden hochkomplexe, hoch integrierte Subsysteme durch Vernetzung und entsprechende dezentrale Intelligenz zusammenarbeiten und so die Produktivität steigern."

Eingesetzt werden sollen diese Algorithmen in der Fabrik der Zukunft, der sogenannten Industrie 4.0. Eines der Ziele ist, auf Produktionsstraßen auch individuelle Produkte herzustellen, bis hinunter zum Einzelstück. Die Komponenten der Fertigungsanlagen müssen sich dann jeweils auf ein Einzelstück einstellen und sich abstimmen. Das wird die Aufgabe der Ameisen-Algorithmen.

Lernen von der Natur

Die Roboterameisen sind ein Produkt des Bionic Learning Network. Ziel des Forschungsprojekts, an dem neben Festo noch weitere Unternehmen sowie mehrere Forschungseinrichtungen beteiligt sind, ist es, von der Natur zu lernen, um effizientere technische System zu bauen.

Die Entwickler suchen "nach Tieren, die etwas besonders gut können", sagte Knubben im vergangenen Jahr. Da zeigte Festo auf der Hannover Messe ein robotisches Känguru, das die energieeffiziente Fortbewegungsart des natürlichen Vorbilds nachahmte. Gern zeigen die Schwaben auch Flugroboter, wie etwa 2013 eine Libelle oder 2011 eine Möwe.  (wp)


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