15. September 2017

Roboter mit verschmelzbaren Nervensystemen

Forschungsartikel von Netcetera-Experte Nithin Mathews

Die renommierte Fachzeitschrift «Nature Communications» hat einen Forschungsartikel von Nithin Mathews, Senior Software Engineer bei Netcetera, veröffentlicht. Nature Communications gehört zu den weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschriften mit einem Impact-Faktor von 12.124 (in 2016). Im Rahmen seiner Forschungsarbeit entwickelte Nithin Mathews ein neues Steuerungsparadigma, mit dem mobile Roboter ihre Körper und Steuerungssysteme verschmelzen können, sodass komplett neue Roboter entstehen. Diese neu gebildeten Roboter behalten ihre sensomotorische Steuerung in vollem Umfang. Dabei handelt es sich um eine ganz neue Kategorie von Robotern, deren Eigenschaften weit über diejenige der heutigen Maschinen oder uns bekannten biologischen Organismen hinausgehen.

Aktuell weisen modulare Roboter lediglich ein begrenztes Angebot an vorprogrammierten Verhaltensweisen auf, da sie auf eine dezentrale Steuerung angewiesen sind. Die neu entwickelten Roboter mit verschmelzbaren Nervensystemen (mergeable nervous systems, MNS) können aus einem oder mehreren modularen Robotereinheiten zusammengestellt werden, verfügen aber stets über ein ganzheitliches Robotersteuerungssystem. Diese Roboter sind in der Lage, ihre Körper anzupassen und physisch miteinander zu koppeln, sodass ein neuer unabhängiger Roboter mit einem verschmolzenen Nervensystem und einer Robotergehirneinheit (d.h. Steuereinheit) entsteht. Die Robotergehirneinheit gibt Steuerungsbefehle aus, die über das Nervensystem weitergeleitet werden. Das Nervensystem des Roboters überträgt und übersetzt diese Befehle in nutzvolle Anweisungen, welche für die einzelnen Robotereinheiten des Körpers relevant sind.

Zwei autonome MNS-Roboter mit unterschiedlichen Konfigurationen. Zur Veranschaulichung der Grösse stehen die Roboter neben einem Tennisball. Links: Hardwarekonfiguration für das Heben von Objekten. Rechts: Standardkonfiguration.
Darstellung einer koordinierten Bewegung (von links nach rechts) eines MNS-Roboters mit drei Einheiten. Die Gehirneinheit (rot) synchronisiert die räumliche und zeitliche Koordination des Roboters, damit die Fähigkeiten einer einzelnen Robotereinheit, ein Objekt anzuheben, genutzt werden können (bei den dargestellten Robotern handelt es sich um 3D-Modelle aus einer Simulation).
3D-Explosionszeichnung der Roboterplattform (marXbot). Zahlreiche unterschiedliche Module lassen sich kombinieren, um mobile Robotereinheiten mit unterschiedlichen physischen Eigenschaftern zu konfigurieren.

Zu den neuen Eigenschaften der MNS-Roboter gehören ihre Fähigkeit, sich durch die Kombination ihrer Teilungs- und Verschmelzungskapazitäten selbst instand zu setzen. Damit können sie ihre Körper selbst heilen in dem sie defekte Robotereinheiten entfernen und durch neue Einheiten ersetzen, einschliesslich einer nicht funktionierenden Gehirneinheit.

Die Abbildung zeigt die autonome Bildung eines neu zusammengestellten MNS-Roboters aus zehn unabhängigen MNS-Robotern (bei den dargestellten Robotern handelt es sich um 3D-Modelle aus einer Simulation).

MNS-Roboter operieren zurzeit in zwei Dimensionen und sind auf feste Anschlüsse beschränkt. Zukünftig möchte das Forscherteam das Konzept um selbstkonfigurierende modulare Roboter erweitern, die sich dreidimensional im Raum bewegen und flexible Gelenke besitzen. Das Team möchte langfristig Roboter entwickeln und fertigen, die autonom andere Roboter bauen können, welche bezüglich Gestalt und Grösse jeweils optimal in ihre Umgebung oder zu ihrer Aufgabe passen.

Vor seiner Tätigkeit für Netcetera war Nithin Mathews als Wissenschaftler am Institut IRIDIA beschäftigt, dem Forschungslabor für künstliche Intelligenz der Université Libre de Bruxelles in Belgien. Nithin Mathews führte die Forschungsarbeit zu den MNS-Robotern gemeinsam mit Kollegen von der Université Libre de Bruxelles (Belgien), dem Instituto Universitàrio de Lisboa (Portugal) und der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (Schweiz) durch. Er hat vier Jahre lang an diesem speziellen Thema geforscht. Zehn Jahre dauerte es, um die zugrunde liegenden Technologien und Roboter für die Versuche zu entwickeln. Netcetera leistete einen Beitrag zu dieser Erfolgsgeschichte, indem sie Nithin Mathews Ausbildungstage zur Verfügung stellten, sodass er die Veröffentlichung seiner umfangreichen Forschungsarbeit abschliessen konnte. Sein Artikel wurde von Nature Communications unter einem frei zugänglichen Lizenzmodell am 12. September 2017 offiziell veröffentlicht und wurde seitdem in namhaften wissenschaftlichen Medien diskutiert, wie z. B. Science News, Engadget, TechCrunch und Popular Science. Ausserdem hat das Wall Street Journal die folgende Video-Story publiziert:

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