Wie die Robotik von der Natur Anregungen erhalten kann

Von einer Quelle der Unterhaltung für Science-Fiction-Autoren bis hin zu einem Entwicklungswerkzeug für die menschliche Gesellschaft haben Roboter und Robotik einen langen Weg zurückgelegt. 

Zwischen 2016 und 2028 wird erwartet, dass der globale Robotikmarkt von fast US$23 Milliarden auf über US$45 Milliarden wächst. Zu Beginn wurde Robotik als etwas betrachtet, das auf industrielle Bereiche beschränkt bleiben würde. 

Im Gegenteil besteht heute mehr als die Hälfte des Robotikmarktes aus Servicerobotern. Heutzutage finden Roboter breite Anwendung in der Automobilindustrie, chemischen Industrie, Elektro-/Elektronikindustrie, Lebensmittelindustrie, Medizinbranche und mehr. Noch innovativer stellen Robotik-Anbieter sicher, dass sie in traditionelleren Bereichen wie Landwirtschaft, Hausarbeit und Unterhaltung eingesetzt werden. 

Obwohl die Rolle der Robotik in vielen konventionellen Bereichen transformativ war, kann sie vielleicht ein oder zwei Dinge von der Welt um uns herum lernen? Heute betrachten wir genau die Szenarien, in denen die Robotik von der Natur Anregungen erhalten kann. 

Wie bio-inspirierte Robotik sich von Wirbelkäfern bereichern kann

Als das weltweit schnellste schwimmende Insekt bekannt, können Wirbelkäfer eine Beschleunigung von 100 Metern pro Sekunde und eine Höchstgeschwindigkeit von 100 Körperlängen pro Sekunde erreichen, also genau 1 Meter pro Sekunde. Aber wie erreichen sie solche Geschwindigkeit und Beschleunigung? 

Ihre Schwimmstrategie wurde von Forschern untersucht und im Journal Current Biology veröffentlicht. Die Studie trug den Titel „Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.“ 

Die Forschung setzte zwei Hochgeschwindigkeitskameras ein, die aus verschiedenen Winkeln synchronisiert waren. Das Ergebnis war ein Video, das den Schwimmmechanismus detailliert zeigte: Auftriebsgestützter Schub. Er funktionierte ähnlich wie ein Propeller, wobei die Schubbewegung senkrecht zur Wasseroberfläche erfolgte. Der Mechanismus reduziert den Widerstand und erzeugt mehr Impuls für höhere Geschwindigkeit. 

Warum ist diese Erkenntnis wichtig? Zwar wurde auftriebsgestützter Schub bereits bei großskaligen Organismen identifiziert, doch zeigt diese Studie, dass das Phänomen bereits bei einer Längenskala von nur einem Zentimeter vorkommt. 

Laut Chris Roh, Assistenzprofessor für Biologische und Umwelttechnik am College of Agriculture and Life Science, spricht diese Entdeckung die bio-inspirierte Robotik und andere Ingenieurgemeinschaften an, zunächst die richtige Physik zu identifizieren und dann zu versuchen, diese Physik bei der Entwicklung von Robotern beizubehalten. 

Genauer gesagt glaubt Roh, dass dieses Phänomen bei der Entwicklung unbemannter Roboterschiffe eingesetzt werden kann, die dank der auftriebserzeugenden Antriebsmechanismen der Wirbelkäfer viel kleiner und flexibler sein könnten. Die USA befinden sich im Entwicklungsprozess solcher Boote, die nicht mehr an die Versorgung einer Besatzung gebunden sind. 

Diese Forschung veranlasst uns, Robotik in einem neuen Licht zu sehen. Es ist stets möglich, Anregungen aus der Natur zu nehmen und sie in menschlich-mechanische Designs rückzuentwickeln. Wir haben weitere Beispiele für eine solche Synergie zwischen Natur/Menschen und Maschine gefunden. 

Vom Oktopus inspirierter Roboter, der als die Zukunft der weichen Robotik gefeiert wurde

Im Jahr 2016 von Cecilia Laschi, Professorin am BioRobotics Institute der Sant’Anna in Pisa, Italien, geschaffen, war der Vom Oktopus inspirierte Roboter außerordentlich flexibel und konnte auf seine Umgebung mit viel größerer Empfindlichkeit und Genauigkeit reagieren als die meisten anderen bis dahin entwickelten weichen Roboter. In Laschis Worten: 

„Dieses relativ neue Forschungsfeld hat das Potenzial, unsere Vorstellungen darüber, wozu Roboter fähig sind und wo sie nützlich sein können, grundlegend zu verändern.“

Der Roboter, der deutlich weniger Rechenleistung benötigte und wesentlich besser in der Lage war, sich auf unebenem Terrain zu bewegen, konnte Flüssigkeit aufnehmen und anschließend aus seinem Körper ausstoßen. Er konnte über den rauen Meeresboden mit all seinen acht Beinen huschen. 

Der Roboter wurde mit elektroaktiven Polymeren gebaut, die sich bei Stromzufuhr verformten. Der Roboter wurde Anfang 2016 erfolgreich im Mittelmeer getestet. Seine Entwicklung hat das Feld der weichen Robotik seitdem deutlich vorangebracht. 

Ein Beispiel dafür ist das Jahr 2017, als Harvard University den Octobot entwickelte, ein weicher Roboter, bei dem alle mechanischen Komponenten durch analoge weiche Systeme ersetzt wurden. Er wurde 3D-gedruckt und hatte eingearbeitete Kanäle, die Energie- und Bewegungssteuerung ermöglichten, angetrieben durch gasbetriebene Pneumatik. 

Abgesehen von den vom Oktopus inspirierten Entwicklungen ahmte die bio-inspirierte Robotik auch andere Tiere nach. Die Ingenieure der École Polytechnique Fédérale de Lausanne entwickelten beispielsweise einen Roboter, der die Bewegung eines Salamanders nachahmt. 

Ein weiteres Forscherteam ließ sich von Schlangen inspirieren. Aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe und verschlungene Terrains zu durchqueren, könnten diese Roboter bei der Weltraumerkundung nützlich sein. 

Pleurobot und Snakebot: Robotik, die komplexe Bewegungen ermöglicht hat

Der Pleurobot lässt sich inspirieren von der Bewegung eines Salamanders. Er verfügt über ein einzigartiges Wirbelsäulensegment, das dem Roboter ermöglicht, in und aus dem Wasser zu gleiten. Er hat 11 Wirbelsäulensegmente. Visuell war die Entwicklung des Roboters darauf ausgerichtet, die Funktionsweise des menschlichen Rückenmarks sowie die Interaktion des Gehirns damit neu zu stimulieren. 

Die Nachahmung der Bewegung eines Salamanders durch einen Roboter war ein entscheidender Durchbruch, weil Salamander vom Kriechen über das Gehen bis zum Schwimmen übergehen können, indem sie dieselbe Bewegung ausführen. Sie ändern lediglich die Geschwindigkeit. Solche Innovationen könnten transformativ und revolutionär sein, wenn sie auf Maschinen und Roboter übertragen werden. 

Der Snakebot hingegen war das Ergebnis einer Gruppe von Forschern der Carnegie Mellon University. Sie wollten einen Roboter entwickeln, der die Bewegung einer Schlange beim Kriechen durch schwieriges Terrain, Trümmer und um Hindernisse herum nachahmt. Der Roboter war 37 Zoll lang und 2 Zoll im Durchmesser und hatte 16 Gelenke. Zuletzt berichteten, dass die NASA diese Roboter in ihren Weltraumexplorationsprojekten eingesetzt hat. 

Mit diesen Entwicklungen und vielen weiteren sind Roboter, die sich von der Natur inspirieren lassen, auch als bio-inspirierte Robotik bekannt, groß geworden. Das Massachusetts Institute of Technology, eine der weltweit am meisten bewunderten und verehrten Institutionen für Ingenieurwissenschaften, bietet einen Kurs in bio-inspirierter Robotik unter seiner Abteilung für Maschinenbau an. 

Der Kurs zielt darauf ab, einen „interdisziplinären Ansatz für bio-inspirierte Gestaltung zu fördern, mit Schwerpunkt auf der Prinzipienextraktion, die auf verschiedene Robotik-Forschungsfelder anwendbar ist, wie Robotik, Prothetik und menschliche Assistenztechnologien.“ 

Nicht nur große Institutionen interessieren sich dafür, sondern auch groß angelegte Technologieunternehmen engagieren sich mit großer Begeisterung für bio-inspirierte Robotik. Zum Beispiel entwickelte Boston Dynamics, ein Unternehmen, das 2021 von Hyundai zu einem Dealwert von US$1,1 Milliarden übernommen wurde, einen Roboter, der einen Hund nachahmt, um viele schwierige Aufgaben zu erledigen. Die vierbeinige Maschine wurde Spot genannt. 

1. Boston Dynamics’ Spot: Ein vierbeiniger Roboter, der einen Hund nachahmt

Entwickelt wie ein kopflose gelber Hund, Spot von Boston Dynamics, konnte Berge hinaufklettern und Treppen bewältigen. Das Gerät kostete US$74.500. Es diente vielen Zwecken, von der Inspektion von Fabriken, Baustellen und gefährlichen Umgebungen bis hin zum Treppensteigen und -navigieren. 

Spot ist jetzt in der Lage, rund um die Uhr zu arbeiten, ohne Eingriffe. Es kann sich autonom aufladen und dynamisch um neue Hindernisse herum neu planen. Laut offiziellen Zahlen haben Spot-Roboter bereits mehr als 1.000 Kunden erreicht. 

Spot bedient eine Vielzahl von Branchen, darunter Fertigung, Energie und natürliche Ressourcen, Bauwesen, Wissenschaft und Bildung sowie Regierung. 

Nachdem Hyundai seinen Deal abgeschlossen hat, um Boston Dynamics zu übernehmen, besaß es einen Anteil von 80 Prozent am Unternehmen. SoftBank hielt über eine seiner Tochtergesellschaften die restlichen 20 Prozent. 

Hyundai veröffentlichte am 21. März 2023 seine konsolidierten Finanzberichte für das Jahr 2022. Das Unternehmen erzielte 6.126.969 Millionen Koreanische Won im Jahr 2022, ein erheblicher Anstieg gegenüber 3.782.498 Millionen Koreanischen Won im Jahr 2021. Die im Jahr 2022 gezahlten Dividenden betrugen 7.207 Millionen. 

2. ABB’s Übernahme von SevenSense: Ein Durchbruch bei der Entwicklung naturinspirierter Roboter

ABB, ein weiteres globales Robotikunternehmen, hat kürzlich Sevensense, ein Schweizer Start-up erworben, das sich auf die Steigerung der Mobilität industrieller Roboter spezialisiert hat. Genauer gesagt entwickelt und fertigt SevenSense sensor- und KI‑gesteuerte Robotersysteme, die über Augen‑ und Gehirnfunktionen verfügen, um sich in Fabriken zu bewegen. 

Die Lösungen werden nicht mehr auf fest installierte Produktionslinien beschränkt sein, die üblicherweise feste Magnetstreifen nutzen. Diese Roboter können 2 Tonnen Material mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Metern pro Sekunde bewegen. Sie sind mit sechs Kameras ausgestattet. Laut Sami Atiya, Leiter für Robotik und diskrete Automation bei ABB: 

„Im alten System, wenn man eine Produktionslinie von 100 Metern ändern musste, zum Beispiel eine neue Produktionszelle hinzufügen, war es unmöglich, den Roboter umzuleiten. Jetzt können wir das leicht tun.“

Laut dem neuesten verfügbaren Finanzbericht erzielte ABB im Jahr 2022 einen Jahresumsatz von US$29,4 Milliarden, verglichen mit US$28,9 Milliarden im Jahr 2021. 

3. Yamahas vom Menschenfahrer inspirierter Motobot

Nicht nur Meerestiere und unsere vierbeinigen Freunde, sondern Roboter lassen sich auch von uns Menschen inspirieren. Yamahas einzigartiges Projekt, Motobot, zielt darauf ab, einen idealen humanoiden Roboter zu schaffen, der ein Fahrzeug unverändert für den autonomen Einsatz betreiben kann. Der Motobot kann das Fahrzeug autonom steuern, indem er Daten von Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, Maschinenlage und ähnlichen Parametern nutzt. 

Yamaha plant, den Motobot weiter zu stärken, indem hochpräzises GPS, Sensoren usw. integriert werden, damit er die Position der Maschine erkennen kann und seine Entscheidungen auf der Rennstrecke und den Leistungsgrenzen des Motorrads vorsichtiger trifft. 

Um den Motobot zu entwickeln, hat Yamaha eine Partnerschaft mit SRI International, einem führenden globalen Forschungsinstitut, eingegangen. Die Vision ist, Inspiration und Wissen aus den zugrunde liegenden Technologien zu ziehen, die bei der Entwicklung von MOTOBOT aktiv sind, wie Robotersteuerung und die Schaffung von Mensch‑Maschine‑Schnittstellen. 

Laut dem neuesten verfügbaren Jahresbericht für das Geschäftsjahr 2022 erzielte Yamaha einen Umsatz von mehr als 408 Milliarden japanische Yen im Jahr mit einem Kernbetriebsergebnis von 43 Milliarden japanische Yen. 

Eine Liste endloser Entwicklungen

In unserem begrenzten Zeitraum könnten wir mehrere bahnbrechende Beispiele diskutieren, bei denen die Robotik erhebliche Inspiration aus der Natur gezogen hat. Allerdings zeigt eine Übersicht der verfügbaren Forschungsarbeiten, dass dies nur die Spitze des Eisbergs ist. Robotik, als Studien-, Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungsbereich, hat stark von der Natur profitiert und wird dies weiterhin tun. 

Roboter‑Drohnen zum Beispiel lassen sich stark von Vögeln inspirieren. Nicht nur in Bezug auf ihren Flugmechanismus, Vögel inspirieren Drohnen auch dazu, bei schlechtem Wetter und starkem Wind effektiv zu fliegen. 

Tauchtaucher Vögel führten zur Schaffung des Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) im Aerial Robotics Laboratory am Imperial College London. Diese AquaMAVs können mit hoher Geschwindigkeit ins Wasser tauchen, wieder auftauchen und Wasser durch einen Jet ausstoßen. Diese Lösungen finden Anwendung in einer Reihe von Fällen, einschließlich der Entnahme von Wasserproben für Rettungsmissionen oder Erkundungen unter Wasser. 

Schmetterlinge haben Mikro‑Roboter zu einer speziellen Flügelstruktur inspiriert, die ihnen hilft, weiter zu fliegen und Unfälle zu vermeiden. 

Boston Dynamics, eines der bereits erwähnten Unternehmen, hat einen weiteren Roboter namens Atlas, der ein intelligenter zweibeiniger humanoider Roboter. 

Jessiko ist ein Unterwasser‑Roboter, der Flossen nutzt, um durch das Wasser zu gleiten. DelFly Micro ist ein 3,07‑Gramm‑flatternder Flügel‑Roboter, der – wie der Name schon sagt – von der Fliege inspiriert ist. Die Welt hat zudem die Einführung von schildkröteninspirierten, 3D‑gedruckten, vierbeinigen weichen Robotern erlebt. 

Die Natur beherbergt Millionen von Tieren und Insekten. Die evolutionären Fähigkeiten dieser Tiere und Insekten ermöglichen ihnen erstaunliche Leistungen. Menschen bilden da keine Ausnahme. Das Verständnis, wie diese Körper funktionieren, würde zahlreiche Möglichkeiten für Roboter eröffnen. 

Viele Aufgaben, die Menschen erfordern, an riskante Orte zu reisen, könnten durch diese Roboter erledigt werden. Diese Roboter können nicht nur diese Aufgaben ausführen, sondern sie auch mit höherer Geschwindigkeit und Effizienz sowie großer Finesse und Genauigkeit erledigen. Sie können viele repetitive Aufgaben übernehmen, um mehr Zeit für das menschliche Gehirn zu schaffen, das das am besten kann: Ideen zu entwickeln und neue Dinge zu erschaffen, um die Zivilisation voranzubringen. 

Klicken Sie hier für die Liste der zehn besten Robotikunternehmen.