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Dienstag, 06.12.2016
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Schwarm-Roboter als Konstrukteure

Von Termiten inspirierte Konstruktions-Roboter können selbst komplexe Bauten errichten

Sie bauen Türme, Pyramiden und Treppen ganz ohne Bauplan oder zentrale Steuerung: US-Forscher haben autonome Miniroboter entwickelt, die nach dem Termitenprinzip selbst komplexe Bauten errichten können. Eine Handvoll einfacher Regeln reichen, um den Schwarm der Roboter selbstständig und robust agieren zu lassen. Solche Schwärme von Konstruktions-Robotern könnten künftig überall dort eingesetzt werden, wo es gefährlich oder unwegsam ist, erklären die Forscher im Fachmagazin "Science".

Die autonomen Konstruktionsroboter im Einsatz

Wenn es darum geht, ein Gebäude oder sonstiges komplexes Gebilde zu konstruieren, ist der Ablauf in der Regel bis ins Letzte geplant: "Normalerweise hat man einen Konstruktionsplan und der Vorarbeiter geht hinaus, weist seine Mannschaft an und überwacht, dass sie diesen Plan auch genau ausführen", erklärt Erstautor Justin Werfel vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University in Cambridge. Das aber läuft im Insektenstaat ganz anders: "Da gibt die Königin keine detaillierten Instruktionen und keine Termite weiß, was die andere tut oder wie der Stand des Gesamtbauwerks ist."

Stattdessen definieren Umweltinformationen, simple Signale zwischen den Mitarbeitern und ein paar Grundregeln, wo die Tiere einen Baumaterial-Klumpen absetzen. Der Fachbegriff für dieses Konzept heißt Stigmergie. Jede Termite bekommt mit, wie sich ihre Umwelt durch die Handlungen ihrer Artgenossen ändert und reagiert auf diese Signale. Einzeltiere tragen beispielsweise Partikel feuchten Erdreichs herbei, versehen es mit Duftstoffen und platzieren es an der Baustelle. Durch diese Pheromone werden wiederum andere Arbeiter angezogen und so bilden sich Hotspots der Bauaktivität. Dies führt allmählich dazu, dass Kamine, Bögen, Tunnel und Kammern entstehen.

Nur eine Handvoll einfacher Regeln


Dieses Prinzip haben sich nun Werfel und seine Kollegen als Vorbild genommen, um eine Schar kleiner Konstruktions-Roboter zu entwickeln, die nicht zentral gesteuert werden, sondern auf Basis der Schwarmintelligenz agieren. „Die Herausforderung war es, Roboter zu bauen, die ähnlich wie diese Tiere arbeiten, aber bauen, was Menschen wollen“, so der Forscher. Die einzelnen Roboter können dabei simpel gestrickt sein – das intelligente Verhalten entsteht aus der Gruppendynamik.


Ihr Bauen beruht nur auf einer Handvoll simpler Algorithmen

Ihr Bauen beruht nur auf einer Handvoll simpler Algorithmen

Die Forscher entwickelten dazu Algorithmen, die das Verhalten der einzelnen Roboter über eine Handvoll einfacher Regeln steuern: Beachte die Verkehrsregeln, umkreise den Haufen, bis du einen einzelnen Baustein findest, nimm den Baustein, klettere auf die Struktur, befestige den Baustein an einem beliebigen Punkt, der geometrisch passt, klettere wieder hinunter, wiederhole das Ganze. "Es gibt dabei zwei Arten von Regeln", erklärt Werfel. "Die Grundregeln fürs Bauen, die für alle Konstruktionen gleich sind, und die Verkehrsregeln, die bestimmen, was gebaut wird."

Türme, Pyramiden und Treppen


Das Experiment zeigt, dass das Prinzip funktioniert: Die nach dem Termitenprinzip arbeitenden Roboter konstruierten bereits Türme, Burgen und Pyramiden aus Schaumstoff-Bausteinen. Dabei konstruierten sie selbstständig Treppen, um die oberen Bereich der Konstruktionen zu erreichen und ergänzten Stufen, wann immer es nötig war. Dieses Konzept erwies sich zudem als extrem robust: „Einzelne Roboter können ausfallen, aber dann arbeiten die anderen immer noch weiter“, so Werfel. „Es gibt kein kritisches Element, das die Mission zum Scheitern bringt“.

Ihre einfache Konstruktion und Robustheit prädestiniert die Roboter nach dem Termiten-Prinzip für Arbeiten überall da, wo es gefährlich und unwegsam ist. Denn selbst wenn einige von ihnen verloren gehen, arbeiten die anderen dennoch weiter – es dauert dann nur ein bisschen länger. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte solche Schwarm-Roboter beispielsweise bei einer drohenden Überschwemmung helfen, Sandsäcke oder Dämme aufzuhäufen oder sogar einfache Konstruktionsaufgaben auf dem Mars übernehmen. Während die Dämme bauenden Roboter schon bald Realität werden könnten, wird es bis zu den robotischen Mars-Bautrupps allerdings wohl noch ein wenig dauern. (Science, 2014; 10.1126/science.1245842)
(Science / Harvard University, 14.02.2014 - NPO/MVI)
 
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