Schnell wie eine Hummel: MIT baut Insekten-Roboter
Leichter als eine Büroklammer, wendiger als eine Fruchtfliege – MIT-Forscher haben ihren neuesten Mikrorobotern das Kunstfliegen beigebracht.
Selbst als Windstörungen ihn vom Kurs abzubringen drohten, konnte der Roboter noch 10 Saltos in 11 Sekunden fliegen.
Foto: Courtesy of the Soft and Micro Robotics Laboratory
Ein Fleck, kaum größer als eine Fingerkuppe, schießt durch die Luft. Kippt, dreht, überschlägt sich – zehnmal in elf Sekunden. Ist es eine Fliege? Nein, ein Roboter. Und er weicht dabei nur 2,5 cm von seiner Sollbahn ab.
Was Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hier zeigen, galt in der Mikrorobotik lange als unmöglich. Jetzt haben die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse in der Fachzeitschrift ScienceAdvances veröffentlicht.
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50 Körperlängen pro Sekunde
Der Roboter ist leichter als eine Büroklammer, misst 4×4 cm und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von knapp 2 m/s– das entspricht 50 Körperlängen pro Sekunde, vergleichbar mit dem Tempo einer Fruchtfliege auf der Flucht. Gegenüber früheren Versionen steigerte das Team um Kevin Chen und Jonathan How die Geschwindigkeit nach eigenen Angaben um 447 %, die Beschleunigung konnten sie um 255 % auf maximal 11,7 m/s² erhöhen.
Anders als bei klassischen Drohnen treiben keine Motoren die Flügel an. Stattdessen nutzen die Hummel-Roboter Dielektrische Elastomer-Aktuatoren für den Flügelschlag – weiche künstliche Muskeln aus Elastosil mit Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden. Mit einem Takt von 330 Hertz schlagen die Flügel sogar etwa 70 % schneller als bei Fruchtfliegen, was laut den Forschern Neigungswinkel bis 50 ° erlaubt.
Ein Zeitrafferfoto zeigt den Mikroroboter bei einem Salto.
Foto: Courtesy of the Soft and Micro Robotics Laboratory
Die KI lernt von den Experten
Die eigentliche Innovation aber steckt in der Steuerung. Bisherige Mikroroboter-Controller waren von Hand abgestimmt – viel zu langsam für komplexe Manöver. „Die robuste Trainingsmethode ist das Geheimnis dieser Technik“, erklärte Jonathan How, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik am MIT, in einer Pressemitteilung.
Der Trick: Zunächst plant ein rechenintensiver Model-Predictive Controller anspruchsvolle Flugbahnen durch. Dann lernt ein neuronales Netz per Imitation Learning, diese Pläne in Echtzeit umzusetzen. Das Ergebnis: 63 % weniger Positionsfehler als mit dem alten Controller.
Robust bis zur Selbstverstrickung
Wie belastbar das System ist, zeigte sich bei den Salto-Tests. Zweimal wickelte sich das Stromkabel während der Flips um den Roboter, berichten die Forscher. Trotzdem flog er präzise weiter. Auch bei Windböen von 160 cm pro Sekunde blieb er stabil. Auch Kalibrierfehler konnte der Roboter ausgleichen. Das ist praktisch relevant: Nicht jedes Exemplar muss perfekt justiert sein, die Technik taugt also für Serienfertigung.
Überraschend ist zudem der Energieverbrauch: Die aggressiven Manöver kosteten nur 2 bis 16 % mehr Energie als einfaches Schweben.
Laut Kevin Chen sind die Miktrorobter in puncto Agilität jetzt mit Insekten gleichauf.
Foto: Courtesy of the Soft and Micro Robotics Laboratory
Einsatzorte: Vom Labor in die Trümmer?
Die Forscher haben konkrete Einsatzszenarien im Blick. „Wenn es ein Erdbeben gibt, könnten wir diese winzigen Roboter in die Ritzen schicken“, so Kevin Chen, Leiter des Soft and Micro Robotics Laboratory am MIT.
Mikroroboter mit insektenartiger Agilität könnten künftig:
- nach Erdbeben durch Trümmer und enge Spalten navigieren, um Verschüttete zu lokalisieren
- in der Landwirtschaft Bestäubungsaufgaben übernehmen, wenn natürliche Bestäuber fehlen
- in Industrieanlagen schwer zugängliche Bereiche inspizieren
- in Schwärmen koordiniert Areale kartieren oder überwachen
Der Weg zur Autonomie ist noch weit
Doch noch hängt der Roboter am Kabel, noch rechnet ein externer Computer. Die Forscher zeigen in ihrem Paper jedoch einen konkreten Pfad auf: Das neuronale Netz lässt sich demnach auf nur acht Neuronen eindampfen. Der Rechenaufwand wäre damit 92-fach geringer. Ein 10 mg leichter Mikrocontroller könnte das stemmen. Sensoren und Kameras passen mit unter 200 mg ebenfalls zur Nutzlast.
Bis zum Praxiseinsatz fehlen allerdings noch autonome Navigation, robuste Energieversorgung und Sensorfusion unter Extrembedingungen. Die kostenfrei abrufbare Studie markiert also einen Meilenstein für Insektenroboter – aber womöglich auch erst den Anfang.
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