Robotik
Fortschritt in der Robotik mit mehrstufiger Saugkraft
Roboter und die Robotikforschung sind ein sich ständig weiterentwickelndes Feld, das weiterhin neue Wege erkundet, um unsere Prozesse effizienter und optimierter zu gestalten. Diese Bemühungen und Erkundungen werden oft von der Natur und dem Tierreich um uns herum inspiriert. Zum Beispiel haben Wissenschaftler der University of Bristol entwickelten einen robotischen Saugnapf mit superadaptiven Saugfähigkeiten, die den biologischen Saugnäpfen eines Oktopus ähneln.
Oktopus-inspirierter Saugmechanismus in Robotern
Alles begann im Bristol Robotics Laboratory, das die Struktur der biologischen Saugnäpfe eines Oktopus untersuchte, die sehr hohe Saugfähigkeiten aufweisen und sich auf jedem Felsen auf die optimalste Weise verankern können. Diese Forschung führte zur Schaffung einer mehrlagigen weichen Struktur und eines künstlichen Flüssigkeitssystems, das sich wie die Muskulatur und die Schleimstrukturen eines Oktopus verhalten konnte.
Während er die bedeutendste Errungenschaft dieser Forschung erklärte, sagte Tianqi Yue, der Hauptautor des Papiers, Folgendes: “Die wichtigste Entwicklung ist, dass wir erfolgreich die Wirksamkeit der Kombination aus mechanischer Konformation – dem Einsatz weicher Materialien, um sich der Oberflächenform anzupassen – und Flüssigdichtung – dem Aufbringen von Wasser auf die Kontaktfläche, um die Saugadaptabilität auf komplexen Oberflächen zu verbessern – demonstriert haben. Dies könnte auch das Geheimnis hinter der Fähigkeit biologischer Organismen sein, adaptive Saugkraft zu erreichen.”
Die Schlüsselentwicklung besteht daher darin, einen Schritt über den aktuellen Modus der künstlichen Saugkraft hinauszugehen und in das Reich der adaptiven Saugkraft einzutreten – die Fähigkeit, sich an die schwierigsten und komplexesten Oberflächen zu heften. Dies erforderte einen Mehrfachsaugmechanismus, und die Forschung zeigte, wie man ihn realisieren kann.
Historische Forschung zum besseren Verständnis, wie Oktopus‑Saugnäpfe funktionieren
Das Verständnis, wie die Saugkraft bei Oktopussen funktioniert, ist seit langem ein Interessensgebiet der Wissenschaftsgemeinschaft. Forschende wussten, dass Oktopusse ihre Saugnäpfe unabhängig bewegen und Objekte nach Bedarf greifen können.
Eine Studie durchgeführt von Forschern in Livorno untersuchte Oktopusse vor mehr als einem Jahrzehnt und stellte fest, dass die Seiten und Ränder ihrer Saugnäpfe einzigartig aufgebaut waren. Ihre Saugnäpfe hatten winzige, konzentrische Rillen, die ihnen halfen, eine starke Dichtung auf jeder rauen Unterwasseroberfläche zu bilden.
Ähnliche Rillen waren auch im oberen Abschnitt zu sehen, was zu einer Dichtung führte, die effektiv und stark, jedoch bei niedrigem Druck war.
Bei weiterer Untersuchung dieses Niederdruckphänomens gewannen Forschende weitere Erkenntnisse über die Saugnäpfe. Sie stellten fest, dass während die Seiten und Ränder der Saugnäpfe weich waren, die Oberseite deutlich steifer war. Diese geringere Elastizität trug mit hoher Wahrscheinlichkeit zur lokalen Erzeugung von Niederdruck bei, was die Haftung überlegen, robust und effizient machte.
Seit dieser Entdeckung gibt es Diskussionen darüber, Oktopus‑Saugmechanismen in Robotern nachzuahmen. Jetzt können wir sehen, dass die Bemühungen Früchte tragen.
Mehrfach‑Saugmechanismus und wie er geknackt wurde!
Die Forschung schlug vor, dass der oktopusähnliche Mehrfach‑Saugmechanismus durch eine organische Kombination aus mechanischer Konformation und regulierter Wasserabdichtung repliziert werden könnte. Die mehrschichtigen weichen Materialien, die die robotische Lösung einsetzte, erzeugten zunächst eine grobe mechanische Konformation zum Substrat, wodurch die Lecköffnungen schließlich auf Mikrometer reduziert wurden. Diese mikrometer‑großen Öffnungen wurden dann durch regulierte Wassersekretion eines künstlichen Flüssigkeitssystems versiegelt.
Die zukünftigen Auswirkungen dieser Forschung
Während sie die potenziellen Anwendungsbereiche hervorhoben, stellten die Forschenden fest, dass diese Entwicklung den Weg für robotische Greifer ebnen könnte, die eine Vielzahl komplexer trockener Oberflächen bewältigen können. Sie betonten die Bedeutung dieses mehrstufigen adaptiven Saugmechanismus bei der Entwicklung effektiverer und einzigartig adaptiver Saugstrategien, die zu einem vollständigen Spektrum vielseitiger, weicher Haftmechanismen führen könnten.
Während er die Verbesserungen hervorhob, die diese Lösung gegenüber bestehenden Lösungen bietet, sagte Tianqi Yue:
“Aktuelle industrielle Lösungen verwenden ständig laufende Luftpumpen, um aktiv Saugkraft zu erzeugen; diese sind jedoch laut und verschwenden Energie.”
Die aktuelle Lösung benötigt keine Pumpe, daher ist sie überlegen. Und wie von den Entwicklern erwartet, wird die gegenwärtige Lösung zu nächsten Generationen robotischer Greifer führen, die verschiedene unregelmäßige Objekte effizient greifen können. Das Team plant zudem einen intelligenten Saugnapf mit eingebetteten Sensoren, der das Verhalten des Napfes geschickt regulieren kann.
Obwohl diese Forschung und die vorgeschlagene Lösung definitiv als Durchbruch gelten, wurde die wissenschaftliche und robotische Gemeinschaft schon immer von Oktopussen inspiriert.
Das erstaunliche Wesen Oktopus
Die genetische Zusammensetzung eines Oktopus ist so einzigartig, dass sie sich erheblich von fast jedem Lebewesen auf diesem Planeten unterscheidet. Eine DNA‑Studie über Oktopusse zeigte, dass sie etwa 33.000 Gene besitzen, also ungefähr 10.000 mehr als ein Mensch. Im Gegensatz zu Menschen und vielen anderen Tieren, die ihren genetischen Code verbessern können, besitzen Oktopusse die erstaunliche Fähigkeit, ihr eigenes RNA zu editieren.
Es gab auch einige Ähnlichkeiten mit Menschen. Und diese Ähnlichkeiten halfen ihnen, intelligenter zu werden, ähnlich wie Menschen.
Zum Beispiel besitzen Oktopusse eine Reihe von menschenähnlichen Genen, die zu einem neuronalen Netzwerk in ihrem Gehirn beitragen. Dieses neuronale Netzwerk macht sie anpassungsfähig an unterschiedliche Umstände und zu schnellen Lernenden. Zusätzlich verbessert ihre Fähigkeit, ihr RNA zu editieren, ihre Anpassungsfähigkeit, sodass sie die extreme Kälte der Tiefsee überstehen können.
Wie sichtbar erkennbar, haben Oktopusse ein großes Gehirn. Und wie Menschen besitzen sie ein geschlossenes Kreislaufsystem, irisgeschützte Augen, Retina und Linse.
Oktopusse verfügen zudem über erstklassige Tarnfähigkeiten. Jetzt, da ihr genetischer Code entschlüsselt wurde, wird es Wissenschaftlern leichter fallen, zu verstehen, wie sie das erreichen. Sie ändern ihre Hautfarbe in Millisekunden, eine Fähigkeit, von der Neurowissenschaftler, Textilingenieure und Strukturingenieure profitieren können.
Der Geist eines Oktopus
Die physiologische Brillanz eines Oktopus, insbesondere seines großen Gehirns, hat Wissenschaftler motiviert, seine kognitiven Prozesse tiefer zu untersuchen.
Im Jahr 2016 schrieb Peter Godfrey‑Smith, ein herausragender Professor für Philosophie am Graduate Center der City University of New York und Professor für Geschichte und Wissenschaftsphilosophie an der University of Sydney in Australien, ein Buch mit dem Titel ‘Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness.‘ Darin schrieb er:
“Oktopusse und ihre Verwandten (Tintenfische und Kalmare) stellen eine Insel mentaler Komplexität im Meer der wirbellosen Tiere dar. Seit meinen ersten Begegnungen mit diesen Kreaturen vor etwa einem Jahrzehnt fasziniert mich das kraftvolle Gefühl der Bindung, das beim Umgang mit ihnen möglich ist.”
Im Buch hob Professor Godfrey‑Smith hervor, dass ein gewöhnlicher Oktopus etwa 500 Millionen Neuronen in seinem Körper hat. Obwohl das weit weniger ist als beim Menschen – fast 100 Milliarden – sind Oktopusse ziemlich intelligent, da sie einfache Labyrinthe navigieren und visuelle Hinweise effektiv nutzen können, um zwei unterschiedliche, aber vertraute Umgebungen zu unterscheiden und den besten Weg zu wählen.
Die Kombination aus Intelligenz und physiologischer Einzigartigkeit lässt Oktopusse aus der Reihe hervorstechen. Im Wesentlichen hat das Gebiet der Robotik stets versucht, diesen Zustand zu erreichen, in dem intelligente Instrumente komplexe Aufgaben erledigen. Es ist nicht verwunderlich, dass Robotik‑Studierende dieses erstaunliche Lebewesen kontinuierlich erforschen. Neben institutionellen Forschern sind mehrere bekannte Unternehmen in diesem Bereich aktiv.
#1. ABB
Ein Unternehmen, das schon immer Interesse daran hatte, die Fähigkeiten von Oktopussen in seinen Produkten nachzuahmen, war ABB. Im Jahr 2018 ging ABB Technological Ventures, der strategische Venture‑Capital‑Zweig von ABB, eine Partnerschaft mit Soft Robotics, einem Spin‑off der Whitesides Group, ein.
Inspiriert von der Funktionsweise der Tentakel eines Oktopus entwickelte Soft Robotics weiche robotische Aktuatoren aus Polymeren, die ohne Sensoren oder elektromechanische Geräte funktionieren. Das Unternehmen baute die Rechenleistung direkt in den Greifer ein und entwickelte eine proprietäre Materialmischung mit mikrofluidischen Kanälen, die die weichen Gewebe einer menschlichen Hand nachahmen.
Neueste Entwicklungen bei der Integration mehrstufiger Saugkraft in fortschrittliche Robotik können die Wirksamkeit und Effizienz dieser Technologien steigern.
Oktopusse, die für ihre höhere Intelligenz und komplexen Augenstrukturen, die denen des Menschen ähneln, bekannt sind, haben bedeutende Entwicklungen in der Robotik inspiriert. In diesem Jahr erwarb ABB Sevensense, ein Schweizer Technologieunternehmen, das sich darauf spezialisiert hat, die Mobilität industrieller Roboter zu verbessern, indem es ihnen visuelle und kognitive Fähigkeiten verleiht.
Im Geschäftsjahr 2023 meldete die ABB Group einen Umsatz von US 32,2 Milliarden. Das Unternehmen tätigte zudem eine bedeutende Investition von US 1,3 Milliarden in Forschung und Entwicklung. Gleichzeitig lag die operative EBITA‑Marge bei fast 17 %.
#2. Festo
In einem weiteren Beispiel, bei dem ein führendes Robotikunternehmen bereits Interesse gezeigt hat und die mehrstufige Saugkraft weiter nutzen könnte, um seine Fähigkeiten zu verbessern, betrachten wir das deutsche Robotikunternehmen, dessen Bot von einem Oktopus inspiriert ist.
Ursprünglich OctopusGripper genannt, konnte dieses robotische Gerät Gegenstände mithilfe einer Kombination aus Saugnäpfen und Luft aufnehmen, halten und ablegen. Es wurde seitdem in Tentacle Gripper umbenannt. Das Unternehmen beschreibt diesen bionischen Greifer als weiche Silikonstruktur die pneumatisch gesteuert werden kann. Wenn Druckluft zugeführt wird, kann der Greifer nach innen biegen, sodass er Gegenstände sicher umschließt.
Strukturell verfügt der Greifer über zwei Reihen von Saugnäpfen, die an der Innenseite der Silikontentakel befestigt sind. Kleine Saugnäpfe befinden sich an der Greifspitze und erzeugen einen passiven Effekt, während größere, von einem Vakuum angetriebene Saugnäpfe das Objekt fest am Greifer haften lassen.
Festo testete den Roboter an zwei pneumatischen Leichtrobotern, die ebenfalls im Bionic Learning Network entwickelt wurden: dem BionicMotionRobot und dem BionicCobot. Aufgrund ihrer kinematischen Beschaffenheit waren beide Roboter flexibel und konnten auf unzählige Weise variabel versteift werden.
Da das künstliche Tentakel aus einem weichen Material entwickelt wurde, konnte es sanft und weich greifen. Das Unternehmen behauptete, die Lösung habe großes Potenzial für futuristische kollaborative Arbeitsplätze.
Finanziell war das Geschäftsjahr 2023 ein Konsolidierungsjahr für das Unternehmen. Laut einer der Pressemitteilungen von Festo lag der gemeldete Umsatz leicht unter dem Niveau des Vorjahres (‑4,3 % bei etwa 3,65 Milliarden Euro).
Ungeachtet des leichten Umsatzrückgangs behauptete das Unternehmen, weiterhin stark in Forschung und Entwicklung sowie den Ausbau der regionalen Marktbearbeitung zu investieren. Konkret investierte das Unternehmen im Jahr 2023 7,7 % seines Umsatzes in Forschung und Entwicklung.
Zur Robotik: Inspiration aus Natur und Tierreich
Heute haben wir ein konkretes Beispiel dafür besprochen, wie die Robotik Anregungen aus den Saugnäpfen eines Oktopus übernimmt. Aus einer breiteren Perspektive kann sie jedoch Anregungen aus der gesamten natürlichen Welt um uns herum ziehen. Und mehrere bio‑inspirierte Robotikinitiativen sind bereits im öffentlichen Bereich aktiv.
Zum Beispiel wurde im Januar 2024 Forschung veröffentlicht die einen autonom wachsenden Roboter vorstellte, der von den adaptiven Verhaltensstrategien kletternder Pflanzen inspiriert ist, um unstrukturierte Umgebungen zu navigieren. Diese Roboter könnten die apikalen Triebe kletternder Pflanzen nachahmen, um durch einen eingebetteten additiven Fertigungsmechanismus und eine sensorisierte Spitze additives adaptives Wachstum zu erfassen und zu koordinieren.
Bedeutende Forschung fand ebenfalls im Bereich von Materialien statt, die mit der weichen Roboterfertigung kompatibel sind. Vor einigen Jahren entwickelte ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren der University of Minnesota Twin Cities ein pflanzeninspiriertes Verfahren, um das Wachstum synthetischer Materialien zu ermöglichen.
Die Lösung könnte Forschern helfen, verbesserte weiche Roboter zu fertigen, die komplexes Terrain, sogar im menschlichen Körper, navigieren können. Laut Matthew Hausladen, dem Erstautor des Papiers, waren die Forschenden stark von der Wachstumsweise von Pflanzen und Pilzen inspiriert. Die Forschenden sagten:
“Wir (das Forscherteam) nahmen die Idee, dass Pflanzen und Pilze Material am Ende ihres Körpers hinzufügen, entweder an den Wurzelspitzen oder an neuen Trieben, und übertrugen das auf ein technisches System.”
Die natürliche Welt hat unendlich mehr Veränderungen und Verschiebungen erlebt, als wir uns vorstellen können, wobei Tiere über Jahrtausende hinweg überlebt und sich angepasst haben. Wir müssen ihre unglaublichen Anpassungstechniken sorgfältig studieren und sie genauer beobachten. Der Versuch, sie in ihrem wahren Geist nachzuahmen, würde uns stets helfen, in den Bereichen Wissenschaft und Technologie viel mehr zu erreichen, als wir uns vorstellen können.
Klicken Sie hier für eine Liste der zehn besten Robotikunternehmen.
