Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

In der natürlichen Welt fühlt sich Bewegung oft wie ein Gespräch zwischen dem Körper und der Umgebung an. Ein Wurm, der durch die Erde kriecht, oder ein Insekt, das über ein Blatt navigiert, verlässt sich nicht auf ein einzelnes, zentrales Gehirn, das jeden Befehl erteilt. Stattdessen nutzen diese Kreaturen verteilte Nervennetzwerke, die entlang ihrer Körper verlaufen, was es verschiedenen Segmenten ermöglicht, auf lokale Bedingungen zu reagieren und dennoch in einem koordinierten Rhythmus zu agieren. Diese biologische Strategie, bekannt als zentraler Mustergenerator (Central Pattern Generator), ermöglicht Resilienz und Anpassungsfähigkeit; wenn ein Teil des Systems gestört wird, kann sich der Rest oft anpassen, ohne eine Top-Down-Anweisung zu benötigen. Die Soft-Robotik, ein Fachgebiet, das sich der Konstruktion von Maschinen aus flexiblen, nachgiebigen Materialien statt aus starrem Metall und Kunststoff widmet, versucht seit langem, diese Art von dezentraler Intelligenz zu replizieren. Die meisten Soft-Roboter heute hängen jedoch noch immer von sperrigen externen Pumpen und komplexen elektronischen Steuerungen ab, um ihnen vorzugeben, wann sie sich bewegen sollen, was ihre Fähigkeit einschränkt, unabhängig in entlegenen oder empfindlichen Umgebungen zu operieren.

Forscher an der University of California, San Diego, haben einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem sie einen Soft-Roboter entwickelten, der sich selbst steuert, indem er dieselben Prinzipien nutzt, die in der Natur zu finden sind, jedoch ohne digitale Elektronik. Sie entwickelten einen neuen Typ eines Soft-Moduls, das sie „pneumatisches Neuron“ nennen, welches als eine eigenständige Einheit fungiert, die gleichzeitig sensorisch wahrnehmen, denken und handeln kann. Durch die Verbindung dieser Module in einem Ring schuf das Team ein System, das seine eigene rhythmische Bewegung erzeugt, ganz ähnlich dem Nervensystem eines Wurms. Der Roboter bewegt sich durch das Aufblasen und Entleeren seiner Segmente in einer fortschreitenden Welle, angetrieben allein durch die Physik von Hitze und Druck statt durch ein Computerprogramm. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Roboter, seine Bewegung an Änderungen der Temperatur oder der physischen Last anzupassen, indem er einfach auf seine Umgebung reagiert, was einen neuen Weg zu Maschinen eröffnet, die so robust und autonom sind wie die lebenden Kreaturen, die sie nachahmen.

Der Kern dieser Erfindung ist ein kleiner, weicher Beutel, der mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt ist, die bei einer sehr niedrigen Temperatur siedet. In jedem Beutel sitzt ein winziger Heizer und ein mechanischer Schalter aus flexiblem Kunststoff. Wenn Strom zum Heizer fließt, verwandelt sich die Flüssigkeit im Inneren des Beutels in Gas, was den Beutel expandieren lässt. Diese Expansion ist nicht nur eine Bewegung, sondern auch ein Signal. Während sich der Beutel aufbläht, drückt er gegen den internen mechanischen Schalter. Der Schalter ist mit zwei unterschiedlichen Schwellenwerten konzipiert: einem unteren Punkt, an dem er die Stromzufuhr zum vorherigen Modul unterbricht, und einem höheren Punkt, an dem er die Stromzufuhr zum nächsten Modul in der Reihe freigibt. Dies erzeugt einen Zyklus, den die Forscher als „Aufblasen-und-Feuern“ (inflate-and-fire) bezeichnen. Das Modul bläht sich auf, triggert seinen Nachbarn und kühlt dann ab, sodass das Gas wieder zu einer Flüssigkeit wird, damit der Zyklus erneut beginnen kann. Da die Flüssigkeit bei einer so niedrigen Temperatur siedet, kann das System mit sehr wenig Energie arbeiten, und da der Schalter mechanisch ist, benötigt er keine Mikrochips oder Software, um zu funktionieren.

Um zu testen, ob diese einzelnen Module zusammenarbeiten können, um komplexe Bewegungen zu erzeugen, verbanden die Forscher sie zu einem Ring. Sie fanden heraus, dass das System, um eine stabile, sich wiederholende Wellenbewegung zu erzeugen, drei spezifische Aktionen ausführen muss: Es musste das nächste Modul erregen, das vorherige Modul hemmen und seinen eigenen Zustand halten, bis das nächste Modul bereit ist, die Übernahme zu vollziehen. Ohodem alle drei Verhaltensweisen nicht vorhanden waren, würde das System entweder in einem einzigen aufgeblähten Zustand verharren oder das Signal würde erlöschen, bevor es den Ring umwandern konnte. Als das Team einen Ring aus nur drei Modulen baute, erzeugte dieser erfolgreich eine kontinuierliche, fortschreitende Welle. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt waren zwei der drei Module aktiv und warm und gaben das Signal in einer nahtlosen Schleife weiter. Dieser „Zwei-Heiß“-Zustand erlaubte es dem Roboter, seinen Rhythmus so lange aufrechtzuerhalten, wie er eine Stromquelle hatte, was bewies, dass das Netzwerk sich selbst organisieren kann, ohne ein zentrales Gehirn zu benötigen.

Die wahre Stärke dieses Systems liegt in seiner Fähigkeit, sich an die physische Welt anzupassen. Die Forscher testeten den Roboter, indem sie spezifische Module mit Gewichten belasteten und die Temperatur der Umgebung änderten. Als sie schwere Gewichte auf den Roboter platzierten, sorgte der zusätzliche Druck dafür, dass die mechanischen Schalter früher auslösten, aber das Gewicht machte es den Modulen auch schwerer, sich zu entleeren. Dies veränderte das Timing der Welle, verlangsamte den Roboter jedoch nicht, sondern passte lediglich sein Tempo an die neue Last an. Ähnlich verhielt es sich, als sie den Roboter in einem Gefrierschrank abkühlten: Die Welle verlangsamte sich und stoppte schließlich, weil die Flüssigkeit nicht schnell genug sieden konnte. Als sie ihn auf einer Heizplatte erhitzten, blähten sich die Module spontan auf, und das System trat in einen anderen Zustand ein, in dem es aufhörte zu oszillieren und eine statische Form annahm. Diese Experimente zeigten, dass das Verhalten des Roboters nicht durch einen vorprogrammierten Code festgelegt ist, sondern direkt aus der Interaktion zwischen den Materialeigenschaften des Roboters und seiner Umgebung entsteht.

Die vielleicht beeindruckendste Demonstration der Resilienz dieses Systems kam, als die Forscher den Ring physisch in der Mitte durchtrennten. Bei einem traditionellen Roboter würde das Durchtrennen einer Steuerleitung dazu führen, dass die gesamte Maschine versagt. Hier jedoch, als das Team den sechs Modulen umfassenden Ring in zwei separate Drei-Modul-Ringe schnitt, begannen beide Hälften sofort von selbst zu oszillieren. Eine Hälfte setzte ihre Welle fort, und die andere Hälfte fand nach einem kurzen manuellen Neustart ebenfalls ihren Rhythmus. Das System benötigte keine Umprogrammierung oder Neuverkabelung; der einfache Akt des Trennens der Verbindung erlaubte es den zwei neuen Ringen, ihre eigenen unabhängigen Muster zu bilden. Dies deutet darauf hin, dass diese pneumatischen Neuronen dazu verwendet werden könnten, Roboter zu bauen, die Schäden überleben können, indem sie sich potenziell in kleinere, funktionale Einheiten aufteilen, falls sie auseinandergerissen werden, ähnlich wie manche Tiere, die verlorene Gliedmaßen regenerieren können.

Die Forscher befestigten auch kleine, L-förmige Beine an den Modulen, um zu sehen, ob der Roboter tatsächlich über eine Oberfläche kriechen kann. Während sich die Module in einer fortschreitenden Welle aufblähten und entleerten, griffen die Beine beim Aufblasen den Boden und rutschten beim Entleeren, was eine Kriechbewegung erzeugte, die der eines Regenwurms ähnelt. Der Roboter bewegte sich etwa 25 Millimeter über sechs Zyklen vorwärts, eine Geschwindigkeit, die durch die Zeit bestimmt wird, die die Flüssigkeit benötigt, um zu sieden und abzukühlen. Obwohl dies im Vergleich zu einem mechanischen Roboter langsam ist, merkten die Forscher an, dass die Geschwindigkeit eine Eigenschaft der gewählten Materialien ist und nicht der Architektur selbst. Durch den Austausch der Flüssigkeit oder des Heizers konnte das Timing angepasst werden, ohne die grundlegende Logik des Systems zu verändern. Diese Fähigkeit, Fortbewegung ohne externe Pumpen oder elektronische Steuerungen zu erzeugen, eröffnet Möglichkeiten für Roboter, die an Orten operieren können, an denen das Mitführen schwerer Ausrüstung unmöglich ist, wie etwa tief unter der Erde oder im Weltraum.

Diese Arbeit stellt eine Verschiebung in der Art und Weise dar, wie Soft-Roboter konstruiert werden: weg von der Idee einer Maschine, die von einem separaten Computer gesteuert wird, hin zu einer Maschine, bei der der Körper selbst der Computer ist. Indem sie die Logik der Bewegung direkt in das Material und die Physik des Aktuators einbetten, haben die Forscher ein System geschaffen, das von Natur aus modular und robust ist. Der Roboter muss nicht „wissen“, wo er sich befindet oder wie die Umgebung aussieht; er reagiert einfach auf die Hitze, den Druck und die Verbindungen um ihn herum. Obwohl es noch Herausforderungen zu bewältigen gibt, wie etwa das Finden von Materialien, die höheren Temperaturen für eine schnellere Bewegung standhalten können, bietet das pneumatische Neuron einen neuen Bauplan für adaptive Robotik. Es deutet auf eine Zukunft hin, in der Maschinen so flexibel und selbstgenügsam sein können wie die lebenden Organismen, die sie inspirierten, fähig, komplexe Welten durch die einfache, elegante Physik des Aufblasens und Feuerns zu durchqueren.