MIT: Mikro-Schlagflügelroboter fliegt so schnell und akrobatisch wie eine Biene

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Mikro-Flugroboter mit Schlagflügeln entwickelt, der ähnliche Flugeigenschaften und -geschwindigkeiten wie eine Biene aufweist. Eine KI-basierte, bioinspirierte Flugsteuerung ermöglicht dem Schlagflügelroboter, gleichmäßige Flugbahnen zu fliegen und akrobatische Flugeinlagen wie etwa Saltos zu vollführen.

Der Flugroboter des MIT misst lediglich 40 mm x 40 mm x 9 mm und wiegt mit 750 mg weniger als eine Büroklammer, schreiben die MIT-Wissenschaftler in der Studie „Aerobatic maneuvers in insect-scale flapping-wing aerial robots via deep-learned robust tube model predictive control“, die in Science Advances erschienen ist. In die Luft bringen den Roboter vier unabhängig voneinander agierende Schlagflügel, die jeweils von einem dielektrischen Elastomer-Aktuator (Dielectric Elastomer Actuator – DEA) bei einer Schlagfrequenz von 330 Hz bewegt werden. Lediglich die Ausschläge der einzelnen Flügel werden zur Steuerung der Richtungen verändert. Der DEA besteht im Wesentlichen aus dielektrischen Elastomerschichten, die mit dünnen Kunststoffnanoröhrchen-Elektroden kombiniert sind. Die Überwachung der Position des Roboters im Raum erfolgt über ein externes Motion-Capture-System, sodass der Flugroboter keine Sensoren an Bord benötigt, allerdings derzeit lediglich im Labor fliegen kann.

Flug-Controller mit Künstlicher Intelligenz

Um die Flugkünste von Insekten nachzuahmen, sind hohe Geschwindigkeiten, Abbremsmanöver und schnelle Richtungswechsel nötig. Um dies zu erreichen, musste ein effizient und schnell arbeitender Flug-Controller erstellt werden.

Zunächst entwickelten die Forscher einen modell-prädiktiven Regler, der ein dynamisches mathematisches Modell nutzt, um das Verhalten des Roboters vorherzusagen und die optimale Abfolge von Aktionen zu planen, sodass er sicher einer Flugbahn folgen kann. Der Planer berücksichtigt dabei die Hardware-systemischen Einschränkungen, wie etwa die Kraft und das Drehmoment, die der Roboter aufbringen kann.

Auf Grundlage dieses Planers trainierten die Forscher eine Richtlinie, die auf einem Deep-Learning-Modell basiert. Diese Richtlinie dient zur Entscheidungsfindung des Roboters. Sie sagt ihm, wohin er wie fliegen soll. Mit ihr steuerten sie den Imitationslernprozess zur Erstellung eines recheneffizienten KI-Modells für einen leistungsstarken Flug-Controller.

Im Vergleich zum Vorgängermodell des Mikro-Schlagflügelroboters kann der neue Roboter durch diesen Ansatz 447 Prozent schneller fliegen und 225 Prozent schneller beschleunigen. Der Roboter erreicht so eine Geschwindigkeit von bis zu 7,1 km/h und beschleunigt mit maximal 11,7 m/s2. Dadurch ist er in der Lage, anspruchsvolle akrobatische Flugmanöver durchzuführen, darunter Luftsprünge, schnelle Drehungen und Saltos.

So vollführte der Schlagflügelroboter beispielsweise zehn Saltos innerhalb von 11 Sekunden. Dabei wich der Roboter lediglich zwischen vier und fünf Zentimeter von seiner Flugbahn ab. Die Forscher konnten den Roboter auch ruckartige Beschleunigungs- und Bremsmanöver durchführen lassen. Insekten nutzen dies dazu, um sich zu orientieren und ihre Umwelt besser wahrzunehmen.

Die MIT-Wissenschaftler sind der Ansicht, dass dies auch dem Roboter dabei helfen könnte, sich im Raum zu orientieren, sobald Kameras und weitere Sensoren direkt im Roboter untergebracht sind. Dann wäre auch kein externes Motion-Capture-System mehr nötig und der Mikro-Schlagflügelroboter könnte außerhalb des Labors frei fliegen, um etwa bei Rettungsmissionen eingesetzt zu werden.

(olb)