Wir leben in einer Welt, in der mehrere technologische Revolutionen gleichzeitig stattfinden. Während die Sprünge in den Bereichen Computing, Robotik und Biotechnologie viel Aufmerksamkeit gewinnen, wird einem ebenso vielversprechenden Feld weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Dies wäre der Bereich der Fertigung, in dem sich Technologien wie 3D-Druck und autonome Roboter als große Game-Changer erweisen.
Da ist zum Beispiel die Arbeit der MIT Zentrum für Bits und Atome (CBA). Hier arbeiten Doktorand Benjamin Jenett und Professor Neil Gershenfeld (im Rahmen von Jenetts Doktorarbeit) an winzigen Robotern, die ganze Strukturen zusammenbauen können. Diese Arbeit könnte Auswirkungen auf alles haben, von Flugzeugen und Gebäuden bis hin zu Siedlungen im Weltraum.
Ihre Arbeit wird in einer Studie beschrieben, die kürzlich in der Oktober-Ausgabe der IEEE Robotik- und Automatisierungsbriefe . Die Studie wurde von Jenett und Gershenfeld verfasst, denen sich die Kommilitonen Amira Abdel-Rahman und Kenneth Cheung angeschlossen haben – ein Absolvent des MIT und des CBA, der jetzt am Ames Research Center der NASA arbeitet.
Wie Gerensheld in einem kürzlich veröffentlichten MIT-Pressemitteilung , gibt es in der Vergangenheit zwei große Kategorien von Robotik. Auf der einen Seite haben Sie teure Robotik, die kundenspezifische Komponenten erstellt, die für bestimmte Anwendungen optimiert sind. Auf der anderen Seite gibt es solche, die aus kostengünstigen Massenmodulen mit geringerer Leistung hergestellt werden.
Die Roboter, an denen das CBA-Team arbeitet – die Jenett die getauft hat Zweibeiniger isotroper Gitterlokomotivforscher (BILL-E, wie WALL-E) – repräsentieren einen völlig neuen Zweig der Robotik. Einerseits sind sie viel einfacher als die teuren, maßgeschneiderten und optimierten Robotervarianten. Andererseits sind sie weitaus leistungsfähiger als Serienroboter und können eine größere Vielfalt an Strukturen bauen.
Im Zentrum des Konzepts steht die Idee, dass durch die Integration kleinerer 3D-Teile – die das CBA-Team „Voxel“ nennt – größere Strukturen zusammengesetzt werden können. Diese Komponenten bestehen aus einfachen Streben und Knoten und lassen sich mit einfachen Rastsystemen leicht aneinander befestigen. Da sie meist leerer Raum sind, sind sie leicht, können aber dennoch so angeordnet werden, dass sie Lasten effizient verteilen.
Die Roboter hingegen ähneln einem kleinen Arm mit zwei langen Segmenten, die in der Mitte angelenkt sind und an jedem Ende eine Klemmvorrichtung haben, mit der sie die Voxel-Strukturen greifen. Diese Anhängsel ermöglichen es den Robotern, sich wie Inchworms zu bewegen und ihre Körper zu öffnen und zu schließen, um sich von einem Ort zum nächsten zu bewegen.
Der Hauptunterschied zwischen diesen Monteuren und herkömmlichen Robotern besteht jedoch in der Beziehung zwischen dem Roboterarbeiter und den Materialien, mit denen er arbeitet. Laut Gershefeld ist dieser neue Robotertyp nicht von den von ihnen gebauten Strukturen zu unterscheiden, da sie als System zusammenarbeiten. Besonders deutlich wird dies beim Navigationssystem der Roboter.
Heutzutage benötigen die meisten mobilen Roboter ein hochpräzises Navigationssystem, um ihre Position zu verfolgen, beispielsweise ein GPS. Die neuen Assembler-Roboter müssen jedoch nur wissen, wo sie sich in Bezug auf die Voxel (kleine Untereinheiten, an denen sie gerade arbeiten) befinden. Wenn ein Monteur zum nächsten übergeht, passt er sein Positionsgefühl neu an und verwendet alles, woran er arbeitet, um sich zu orientieren.
Jeder der BILL-E-Roboter ist in der Lage, seine Schritte zu zählen, was ihm neben der Navigation ermöglicht, eventuelle Fehler, die er unterwegs macht, zu korrigieren. Zusammen mit der von Abdel-Rahman entwickelten Steuerungssoftware wird dieser vereinfachte Prozess es Schwärmen von BILL-Es ermöglichen, ihre Bemühungen zu koordinieren und zusammenzuarbeiten, was den Montageprozess beschleunigt. Als Jenet genannt :
„Wir legen nicht die Präzision in den Roboter; die Präzision kommt von der Struktur [während sie allmählich Gestalt annimmt]. Das ist anders als bei allen anderen Robotern. Es muss nur wissen, wo sein nächster Schritt ist.“
Ein Prototyp eines Montageroboters, der sein zollwurmähnliches Design verwendet, um sich um eine Struktur zu bewegen. Bildnachweis: MIT/CBA/Benjamin Jenet
Jenett und seine Mitarbeiter haben mehrere Proof-of-Concept-Versionen der Assembler zusammen mit entsprechenden Voxel-Designs erstellt. Ihre Arbeit ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass Prototypenversionen den Zusammenbau der Voxelblöcke zu linearen, zweidimensionalen und dreidimensionalen Strukturen demonstrieren können.
Diese Art von Montageprozess hat bereits das Interesse der NASA (die bei dieser Forschung mit dem MIT zusammenarbeitet) und des niederländischen Luft- und Raumfahrtunternehmens geweckt Airbus SE – die auch die Studie gesponsert hat. Im Fall der NASA wäre diese Technologie ein Segen für ihre Automatisierte rekonfigurierbare Mission Adaptive Digital Assembly Systems (ARMADAS), die Co-Autor Cheung leitet.
Ziel dieses Projekts ist es, die notwendigen Automatisierungs- und Robotermontagetechnologien zu entwickeln, um eine Weltrauminfrastruktur zu entwickeln – die eine Mondbasis und Weltraumlebensräume umfasst. Robotermonteure bieten in diesen Umgebungen den Vorteil, Strukturen schneller und kostengünstiger montieren zu können. Ebenso können sie problemlos Reparaturen, Wartungen und Modifikationen durchführen.
„Bei einer Raumstation oder einem Mondhabitat würden diese Roboter von der Struktur leben und sie ständig warten und reparieren“, sagt Jenett. Wenn diese Roboter in der Nähe sind, müssen keine großen vormontierten Strukturen von der Erde aus gestartet werden. In Kombination mit additiver Fertigung (3D-Druck) könnten sie auch lokale Ressourcen als Baumaterial verwenden (ein Prozess, der als In-Situ Resource Utilization oder ISRU bekannt ist).
Künstlerisches Konzept eines Weltraumhabitats, das mit dem ARMADAS-System gebaut wurde, mit der ISS im Vordergrund. Bildnachweis: NASA
Sandor Fekete ist der Direktor des Institut für Betriebssysteme und Computernetze an der Technischen Universität Braunschweig. In Zukunft möchte er dem Team beitreten, um die Steuerungssysteme weiterzuentwickeln. Die Entwicklung dieser Roboter bis zu dem Punkt, an dem sie Strukturen im Weltraum bauen können, ist zwar eine große Herausforderung, aber ihre möglichen Anwendungen sind enorm. Als Fekete genannt :
„Roboter werden nicht müde oder gelangweilt, und die Verwendung vieler Miniaturroboter scheint die einzige Möglichkeit zu sein, diese wichtige Aufgabe zu erledigen. Diese äußerst originelle und clevere Arbeit von Ben Jenett und Mitarbeitern macht einen riesigen Sprung in Richtung des Baus von dynamisch verstellbaren Flugzeugtragflächen, riesigen Sonnensegeln oder sogar rekonfigurierbaren Weltraumhabitaten.“
Es besteht kein Zweifel, dass die Menschheit, wenn sie nachhaltig auf der Erde leben oder sich in den Weltraum wagen möchte, auf eine ziemlich fortschrittliche Technologie angewiesen sein wird. Im Moment sind die vielversprechendsten diejenigen, die kostengünstige Möglichkeiten bieten, unsere Bedürfnisse zu erfüllen und unsere Präsenz im gesamten Sonnensystem auszudehnen.
Insofern wären Montageroboter wie BILL-E nicht nur im Orbit, auf dem Mond oder darüber hinaus nützlich, sondern auch hier auf der Erde. In ähnlicher Weise mit der 3D-Drucktechnologie gepaart, könnten große Gruppen von Robotermonteuren, die für die Zusammenarbeit programmiert sind, kostengünstige, modulare Gehäuse bereitstellen, die dazu beitragen könnten, die Wohnungskrise zu beenden.
Wie immer können auch technologische Innovationen, die die Erforschung des Weltraums voranbringen, genutzt werden, um das Leben auf der Erde zu erleichtern!
