Schildkrötenartiger Roboter "schwimmt" im Sand
Ein Roboter der im Sand eintauchen soll, muss kräftig sein. Forscher der University of California haben dazu einen schildkrötenartigen Roboter entworfen.
Die Roboter-Schildkröte ist zwar klein, entwickelt im Sand aber enorme Kräfte zur Fortbewegung.
(Bild: UC San Diego)
Ein Team von Robotik-Ingenieuren der University of California San Diego (UC San Diego) hat eine Roboter-Schildkröte entwickelt, die sich im Sand fortbewegen kann. Der Roboter soll etwa zur Inspektion von Getreidesilos, zur Messung von Bodenverunreinigungen sowie Such- und Rettungsaktionen eingesetzt werden.
Bei der Fortbewegung im Sand muss ein Roboter hohe Kräfte bewältigen und deutlich stärker sein als Roboter, die sich durch Luft oder Wasser bewegen, wie die Wissenschaftler in "Toward Robotic Sensing and Swimming in Granular Environments using Underactuated Appendages" schreiben. Die Studie ist in Advanced Intelligent Systems veröffentlicht.
Bei der Umsetzung standen die Forschenden vor einer Reihe von Herausforderungen, die bewältigt werden mussten. So führt die hohe Reibung zwischen den Sandkörnern zu hohen Kräften, die die Roboter-Schildkröte beim Eintauchen und Fortbewegen im Sand überwinden muss. Auch ist die Hinderniserkennung im Sand schwierig. Außerdem kann der Sand eine unterschiedliche Härte aufweisen: Mal verhält er sich wie eine Flüssigkeit, mal wie ein Festkörper. Darauf muss der Roboter reagieren können.
Stromlinienförmiges Design für das "Tauchen" im Sand
Die Wahl auf eine Schildkröte als Vorbild für den Roboter ergab sich aus Beobachtungen der Tiere in der Natur. Sie können sich mit ihren flossenähnlichen Fortsätzen hohe Kräfte entwickeln, sich im Sand ein- und ausgraben sowie darin fortbewegen. Dabei entwickeln sie eine hohe Fortbewegungskraft. Zunächst simulierte das Team verschiedene Körperformen des Roboters und entschied sich dann für einen konisch geformten Körper mit einer schaufelförmigen Nase.
"Wir mussten einen Roboter bauen, der sowohl stark als auch stromlinienförmig ist", sagt Shivam Chopra, Hauptautor des Artikels und Doktorand in der Forschungsgruppe von Professor Nick Gravish an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego.
Angetrieben wird der Schildkröten-Roboter von einem einzelnen Elektromotor, der an einem starken Planetengetriebe gekoppelt ist. Die Drehbewegung des Motors wird in eine schaufelartige Bewegung umgesetzt. Damit sich der Roboter im Sand auf gleicher Höhe fortbewegen kann, statteten sie ihn mit zwei folienartigen Tragflächen an der Nasenspitze aus, um den Auftrieb kontrollieren zu können. Denn der Roboter neigte dazu, sich Richtung Oberfläche zu bewegen.
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Die Forscher testeten das Design in einem 1,5 Meter langen Becken, das mit Sand gefüllt war, und an einem Strand in der Nähe der UC San Diego. Der per Wi-Fi gesteuerte Roboter konnte sich zwar nicht selbst ein- und ausgraben, konnte sich jedoch im Sand in einer Tiefe von bis zu 12,7 cm fortbewegen. Kraftsensoren an den Enden seiner Flossen helfen dabei, Hindernisse zu erkennen. Das gilt allerdings nur für Hindernisse oberhalb des Roboters. Hindernisse vor ihm und unter ihm kann er nicht erfassen.
Langsame Fortbewegung
Der Roboter erreichte eine Geschwindigkeit von 1,2 mm/s. Das entspricht etwa 4 m pro Stunde. Damit bewegt sich der Schildkröten-Roboter auf dem Niveau anderer Tiere, die sich unterirdisch fortbewegen, wie etwa Würmer und Muscheln. Die Wissenschaftler wollen diese Geschwindigkeit in einer nächsten Ausbauphase erhöhen. Zudem wollen sie erreichen, dass sich der Roboter selbst ein- und ausgraben kann, um ihn flott für den praktischen Einsatz zu machen.
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