Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/mars-planet-der-roboteraffen-1809-136267.html    Veröffentlicht: 04.09.2018 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/136267

Mars

Planet der Roboteraffen

Ein Roboterschwarm soll ein weiteres Geheimnis des Mars lüften: Wie entstand der riesige Canyon Valles Marineris? Der Roboteraffe Charlie soll dabei helfen, muss für den interplanetaren Einsatz aber noch fit gemacht werden.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet an der Entwicklung eines heterogenen und autonomen Roboterschwarms, um das Marskratersystem Valles Marineris zu erforschen. Die Forschungsinitiative Valles Marineris Explorer hat sich mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) zusammengeschlossen, um diesen Schwarm um eine Einheit zu erweitern. Der affenähnliche Roboter Charlie wird nun Teil des Vorhabens. Es könnte allerdings noch dauern, bis er wirklich einsatzfähig ist.

Die Valles Marineris sind ein Grabenbruchsystem, das rund 4.000 km lang, 700 km breit und 7 km tief ist. Es gilt als einer der größten Canyons des Sonnensystems. Wie es entstanden ist, konnte bisher allerdings nicht zu hundert Prozent geklärt werden. Es existieren lediglich eine Menge Theorien.

So gehen Wissenschaftler davon aus, dass die Entstehung des Canyons mit der Tharsis-Region zusammenhängt, die westlich des Talsystems liegt. Dort befinden sich die höchsten Vulkane des Planeten. Unter den Valles Marineris floss dementsprechend eine Menge Magma, das in Form von riesigen Blasen Druck auf die Marskruste ausübte, bis diese brach. Riesige Krustenbrocken flogen daraufhin Tausende Meter in die Tiefe. Aufgrund dieser tektonischen Brüche entstand das tiefe Grabensystem - zumindest in der Theorie.

In den 1970er-Jahren waren Wissenschaftler der Meinung, dass es auf dem Mars aufgrund der dünnen Atmosphäre (0,75 Prozent des Erdatmosphärendrucks) sowie der dort herrschenden Temperaturen, die nur selten den Nullpunkt übersteigen, kein flüssiges Wasser geben könne. Das hat sich in den vergangenen Jahren jedoch geändert.

2004 konnte die Europäische Raumfahrtagentur Esa mit ihrer Sonde Mars Express Aufnahmen von ausgetrockneten Flussläufen auf dem roten Planeten machen. Daraufhin stellten Wissenschaftler die Vermutung auf, dass gewaltige Wasserströme die Kraterstruktur der Valles Marineris mit veränderten. Diese schossen wohl durch die Täler und vertieften so die Talsohle des Canyons weiter. Außerdem konnte das Spektrometer Omega, as zur Esa-Sonde gehört, zusätzlich nachweisen, dass sich auf den südlichen Polkappen des Mars große Mengen Wassereis befinden.

Ein Forscherteam des Nationalen Instituts für Astrophysik konnte zudem nach einer dreijährigen Auswertung der Daten der Mars-Express kürzlich die Theorie aufstellen, dass sich unter der dicken Eisschicht ein See aus flüssigem Wasser befinde. Gerade deshalb sei die Existenz von Wasser in den Tiefen der Valles Marineris möglich und damit auch die Existenz von Leben in Form von Mikroorganismen. Diese Vermutung soll demnächst genauer überprüft werden.

Das komplexe Terrain des Kratersystems ließ sich bisher jedoch nicht erkunden.

Roboterschwarm zur Marserkundung

Das DLR hat deshalb das Verbundprojekt Valles Marineris Explorer (Vamex) ins Leben gerufen. Der Canyon soll dabei mithilfe eines Schwarms aus Flug- und Bodeneinheiten genauer untersucht werden. Die Schlüsseltechnologien für dieses Vorhaben werden derzeitig auf der Erde erforscht.

Zu den Schwierigkeiten gehört etwa die infrastrukturunabhängige Ortung eines Schwarms von Fluggeräten und Bodenfahrzeugen. Wird der Schwarm zum Beispiel im Rahmen einer Erkundungsmission zu einer Zielstation gesandt, muss er sich auf dem Weg zum unbekannten Terrain präzise, autonom und zuverlässig bewegen können. Mögliche Hindernisse sollen entsprechend erkannt und umfahren beziehungsweise umflogen werden. Zur Orientierung müssen sich die einzelnen Schwarmelemente gegenseitig orten.

Das Zielgebiet soll mit Kameras, Laserscannern sowie Messeinheiten untersucht werden. Diese werden von der Technischen Universität Braunschweig zusammengeführt und bereitgestellt. Sind alle Schwarmteilnehmer in Position, wird ein Kommunikationsnetzwerk errichtet, in dem alle relevanten Informationen zu dem schwierigen Terrain übertragen werden.

Um das zu ermöglichen, arbeitet das DLR Institut für Kommunikation und Navigation an einer passenden Softwarelösung. Außerdem wird ein Roboter benötigt, der sich durch die zerklüfteten Felsformationen der Valles Marineris effektiv bewegen kann und zudem kleinere händische Tätigkeiten ausführen kann, um die Einheit zu unterstützen.

Deshalb greift das DLR auf den vom DFKI entwickelten Roboter Charlie zurück.

Charlie, der Affenroboter

Daniel Kühn ist Ingenieur an der Universität Bremen und hat Charlie mitentwickelt. Ihm und seinem Team war es wichtig, dass sich der humanoide Roboter unabhängig von der Komplexität seiner Umgebung bewegen kann. "Wir verfolgen einen reaktiven Kontrollansatz. Das bedeutet, dass das Grundlaufverhalten wie zum Beispiel der Kreuzgang immer da ist. Sobald sich eine Unebenheit auf Charlies Weg befindet, kann er seine Fußstellung neu ausrichten und entsprechend auf diese reagieren", erklärt er im Gespräch mit Golem.de.

Charlie besteht aus einer beweglichen Wirbelsäule, vier Gliedmaßen, einer Hüfte sowie Schultern und dem Kopf. Eine Vielzahl von Drehgelenken soll es ermöglichen, bis auf den Kopf alle Teile unabhängig voneinander zu bewegen. Charlie kann sich zudem aufrichten und mit seinen vorderen Gliedmaßen kleinere Aufgaben wie zum Beispiel das Austauschen von Batterien durchführen.

"Insgesamt stehen den beweglichen Elementen sechs Freiheitsgrade zur Verfügung, was ein enormes Maß an Bewegungsfreiheit ermöglicht", sagt Kühn. Die Wirbelsäule soll zudem für einen dynamischen Bewegungsablauf sorgen. "Als wir Charlie entwickelten, fiel uns auf, dass die Bewegungen der meisten Roboter viel zu statisch waren. Das wollten wir ändern."

Der DFKI-Roboter ist gerade wegen seiner hohen Beweglichkeit sowie seiner empfindlichen Sensorik besonders gut für schwieriges Gelände geeignet. Das hängt auch mit dem von den Ingenieuren entwickelten Footplacement-Algorithmus zusammen, der es ermöglicht, anhand einer lokalen Karte stets einen optimalen Fußkontaktpunkt für jedes Bein zu finden. Dieser Algorithmus basiert auf der Lernsoftware Bolero, die unter anderem vom DFKI entwickelt wurde.

Bolero basiert auf Python sowie C++ und dient dazu, das Verhalten anhand von aufgenommen Daten aus der Umgebung entsprechend anzupassen. Um möglichst genaue Umgebungsdaten aufzunehmen, wurden Charlies Füße mit 49 Drucksensoren, mehreren Winkelmessern, einem Abstandssensor sowie einer Kraftmessdose ausgestattet.

Der Roboter balanciert sich durch Gewichtsverlagerung aus

Die Kommunikation zwischen den einzelnen Sensoren basiert wiederum auf Node-Level Data Link Communication (NDLcom). Die Software dient dazu, ein Kommunikationsnetzwerk zwischen den einzelnen Knoten in dem Roboter zu erstellen. Tritt er also auf eine Unebenheit, wird die Information weitergeleitet und er kann sein Gewicht entsprechend verlagern.

Der linuxbasierte Roboter arbeitet mit einem Mikrocontroller von Gumstix - das US-Unternehmen entwickelt Mainboards in der Größe von Kaugummistreifen. Der Controller hat einen 720-Megahertz-Prozessor, 512 MByte Arbeitsspeicher, 512 MByte NAND Flash - einen Speicher, der zur Datenaufbewahrung keinen Strom benötigt -, einen Micro-SD-Kartenslot sowie ein WLAN-Modul.

Damit er optimal läuft, wurde in dem Roboter zusätzlich ein integrierter Schaltkreis von Xilinx (FPGA) verbaut. Dieser dient als Brücke zwischen der Peripherie wie zum Beispiel den Schnittstellen des Universal Asynchronous Receiver Transmitters (UART), welche zum Senden und Empfangen von Daten über eine Datenleitung dient, und dem Mikrocontroller. Zudem wird der FPGA genutzt, um eine Schnittstelle für die Kommunikation mit bis zu acht verschiedenen Erweiterungskarten über ein benutzerdefiniertes Busprotokoll - ein System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern - zu ermöglichen.

Das Forschungsteam rund um Daniel Kühn führte 2017 mit Charlie in der Weltraumexplorationshalle mehrere Experimente auf verschiedenen Böden mit jeweils unterschiedlichen Neigungen durch.

Es besteht noch Verbesserungsbedarf

Die Laufgeschwindigkeit des Roboters wurde dabei variiert. Während der Tests war er mit einem Kabel an eine externe Stromquelle (40 Volt) angeschlossen. Normalerweise wird er von einer etwa 44 Volt starken Lithium Polymer Batterie angetrieben. "Mithilfe eines lokalen Regelkreises, der für eine erhöhte Stabilität sorgte, war es Charlie möglich, anspruchsvolles Gelände zu überwinden", erläutert Kühn. "Fällt dieser allerdings aus, scheitert er an komplexen Umgebungen. Außerdem kam der Roboter ins Rutschen, sobald die Steigung etwa 20 Grad betrug."

Der affenähnliche Roboter müsse also noch weiterentwickelt werden, bis er die Marsmission antreten könne. "Auf dem jetzigen Stand ist Charlie noch nicht für die interplanetare Forschung geeignet. Die verbauten Teile halten den Temperaturbedingungen sowie der Strahleneinwirkung auf dem Mars nicht stand. Es könnte noch gut drei Generationen dauern, bis wir ihn losschicken können." Das entspricht nach Kühns Einschätzung einer Wartezeit von rund 20 Jahren. Eine Kurzzusammenfassung zu den Testergebnissen kann hier nachgelesen werden.

Die Frage ist, ob das Projekt solange finanziert wird oder ob es nicht doch sinnvoller wäre, auf ein anderes System zu setzen. Da Charlie seine Gliedmaßen allerdings unabhängig voneinander bewegen kann, bietet er viele Möglichkeiten für den erfolgreichen Ausgang der Mission. Schließlich kann er nicht nur komplexes Gelände bewältigen, sondern auch seine vorderen Gliedmaßen für kleinere händische Tätigkeiten wie zum Beispiel das Entfernen von Staub, welcher nach einem Sandsturm auf dem Mars wichtige Solarpaneele verdeckt, einsetzen.  (tkr)


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