Der neueste beliebte und vielversprechende Trend in der Robotik ist die Miniaturisierung. Die neuesten Fortschritte bei Bots und Drohnen basieren nicht auf digitaler Technologie, sondern auf dem Gewicht: Je kleiner die Sensoren, die Bedeutung von Kameras und anderen intelligenten Geräten, desto besser.
Microbots
Mikrobotik ist der Bereich der Miniaturrobotik, insbesondere der mobilen Roboter mit einer charakteristischen Größe von weniger als 1 mm. Die Terminologie kann auch für Roboter verwendet werden, die mikrometergroße Bauteile bearbeiten können.
Geschichte der Entstehung von Mikrorobotern
Microbots entstanden mit dem Aufkommen des Mikrocontrollers im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts und dem Beginn der mechanischen Miniatursysteme. Die erste Forschung und konzeptionelle Entwicklung solcher kleinen Roboter fand Anfang der 1970er Jahre im Rahmen einer (damals) privaten Studie für die US-Geheimdienste statt. Die Hauptziele der Forschung waren damals, den Bedarf an der Organisation von Gefangenenrettungs- und elektronischen Abhörmissionen zu decken. Zu dieser Zeit waren die wesentlichen Technologien zur Unterstützung der Miniaturisierung noch nicht ausgereift, so dass bei der Entwicklung von Prototypen keine nennenswerten Fortschritte erzielt wurden. Fortschritte bei der drahtlosen Konnektivität, insbesondere Wi-Fi, haben die Kommunikationsfähigkeit von Mikrobots und damit ihre Fähigkeit, sich mit anderen Mikrobots zu koordinieren, um komplexere Aufgaben zu erfüllen, erheblich verbessert. In der Tat haben sich in jüngster Zeit viele Studien auf die Kommunikation von Mikrorobotern konzentriert, darunter ein Roboter an der Harvard University, der sich zu verschiedenen Formen zusammensetzt, und die Produktion von Mikrorobotern am SRI International für das DARPA-Programm MicroFactory for Macro Products, das leichte, hochfeste Strukturen herstellen kann.
Design-Merkmale
Mikroroboter sind weniger als 1 mm groß. In dieser Hinsicht unterscheiden sie sich von Millirobotern, die kleiner als 10 cm sind, von Kleinrobotern, die kleiner als 100 cm sind, und von Nanorobotern, die kleiner als 1 Mikrometer sind oder in einem Größenbereich von 1 bis 1000 nm liegen. Aufgrund ihrer geringen Größe sind Mikroroboter potenziell sehr billig und können in großen Mengen (Schwarmroboter) eingesetzt werden, um Umgebungen zu erkunden, die für Menschen oder größere Roboter zu klein oder zu gefährlich sind. Mikroroboter sind besonders nützlich bei der Suche nach Überlebenden in eingestürzten Gebäuden nach einem Erdbeben oder bei der Untersuchung des Verdauungstrakts. Ihnen fehlt es an physischer und/oder rechnerischer Kraft, aber das kann durch Gruppen oder Schwärme von Mikrorobotern ausgeglichen werden. Die Art und Weise, wie sich Mikroroboter bewegen, hängt von ihrem Zweck und der benötigten Größe ab. Roboter, die in wässrigen oder anderen flüssigen Umgebungen arbeiten, haben zum Beispiel oft bewegliche, rotierende Geißeln. Eines der Hauptprobleme bei der Bewegung von Mikrorobotern besteht darin, diese Fähigkeit mit einer minimalen Energiequelle zu erreichen. Mikroroboter können eine kleine, leichte Batterie verwenden oder durch Energie aus der Umgebung in Form von Vibrationen angetrieben werden. Mikroroboter nutzen auch biologische Motoren als Energiequellen, wie z. B. Geißeln, um chemische Energie aus der umgebenden Flüssigkeit zu gewinnen und das Robotergerät anzutreiben. Eine gängige Alternative zu einer Bordbatterie ist die Energieversorgung von Robotern mit externer Energie. Beispiele hierfür sind elektromagnetische Felder, Ultraschall und Licht zur Aktivierung und Steuerung von Mikrorobotern. Um autonom zu sein, muss ein Mikroroboter über Folgendes verfügen:
- Ausreichend leistungsfähige Sensoren (Mikro- oder Nanosensoren),
- Energieautonomie erfordert effiziente Mikrobatterien mit geringem Stromverbrauch oder die Fähigkeit, eine externe Energiequelle zu finden und zu nutzen (Solar, Mikrowelle, Wasserstoffquelle, biomimetische Fähigkeit, Energie aus organischem Material zu extrahieren usw.). Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, besteht darin, dafür zu sorgen, dass die verschiedenen Funktionen des Mikroroboters nur bei Bedarf und optimal aktiviert werden. Die restliche Zeit werden sie in Bereitschaft versetzt, was sie nicht daran hindert, sich passiv zu bewegen (durch Wind, Strömung, Fahrzeug usw. getragen),
- ein eingebautes intelligentes System (individuell oder kollektiv im Fall von Robotern mit zusammenarbeitenden Zusatzfunktionen) und/oder eine Kommunikation, die Interaktion oder Fernsteuerung ermöglicht,
- Der Lehrplan muss komplex genug sein, um auf das Auftreten einfacher Ereignisse und Veränderungen in der Umgebung (Reize) zu reagieren und darauf (einzeln oder kollektiv) mit angemessenen Reaktionen zu reagieren.
Anwendungen
Ausgezeichnete Aussichten mit Mikrorobotern beinhalten gefährliche, schmerzhafte, sich wiederholende oder unmögliche Aufgaben für Menschen (in kleinen Räumen, in einem Vakuum) oder leichter zugängliche Funktionen. Dennoch können Roboter sie besser ausführen als Menschen. Sie können auch als industrielle und technische Roboter verwendet werden (z. B. in der Lage, winzige Teile oder Mechanismen herzustellen, das Innere einer Maschine zu diagnostizieren oder zu reparieren, ohne sie zu zerlegen, Rohrleitungen von innen zu inspizieren usw.). Sie sind in der Lage, im Vakuum oder in einer Umgebung ohne Luft usw. zu arbeiten. Mikroroboter wurden bereits entwickelt und im häuslichen Bereich (Serviceroboter) eingesetzt, beispielsweise Roboter für Staubsauger und Spiele oder Trainingsroboter für Programmierung.
Anwendungen von Mikrorobotern im Gesundheitswesen
Im Jahr 2018 gab es erhebliche Fortschritte beim Einsatz von Mikrorobotern im Gesundheitswesen. Forscher der City University of Hong Kong veröffentlichten eine Studie in der Zeitschrift Science Robotics, in der sie behaupten, dass Mikroroboter zur Diagnose von Krankheiten, zur Verabreichung von Medikamenten und sogar bei Operationen auf zellulärer Ebene eingesetzt werden können. Forscher haben bereits erfolgreich Versuchsläufe durchgeführt, etwa um Zellen in einer lebenden Maus an die richtige Stelle zu bringen. Die potenzielle praktische Anwendung dieser Technologien ist die Abgabe nützlicher Substanzen an ein bestimmtes Zuhause im menschlichen Körper, was zu einer neuen Art von nicht-invasiver personalisierter Medizin werden könnte. Wissenschaftler entwickeln seit Jahren immer kleinere Roboter für mehr Präzisionsmedizin. Die aktuelle Miniaturisierung hat ihnen dramatisch geholfen, medizinische Mikroroboter zu entwickeln, deren Maßeinheit nicht mehr Millimeter, sondern Mikron ist. Diese kleinen Bots können Krankheiten in Echtzeit diagnostizieren und überwachen, den Blutzuckerspiegel für Diabetiker messen oder notwendige Medikamente präzise an ein Ziel wie einen Tumor liefern. Entwickler haben auch schwimmende Mikroroboter entwickelt, die in der Lage sind, durch menschliche Körperflüssigkeiten zu navigieren. Diese Bots ahmen die natürlichen Prozesse des Körpers nach; Sie bewegen sich mit metachronen Wellen vorwärts, ähnlich den Infusorien im menschlichen Körper. Wissenschaftler versuchen, Anwendungen für diese Technologien zu finden, von der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen bis hin zu Augenoperationen. In Zukunft könnten Mikroroboter Arterien von Plaque reinigen und Nierensteine zertrümmern. Ein medizinischer Roboter oder ein medizinisches Hilfsmittel in Form eines Mikroroboters könnte eines Tages in einem lebenden Organismus arbeiten.
Einsatz von Mikrorobotern unter extremen Bedingungen
Erstens sind extreme Bedingungen in der Robotik für Menschen oder technische Geräte gefährlich: hohe Strahlenbelastung, chemisch aggressive Umgebung, starke elektromagnetische Felder, hoher Druck und hohe Temperatur. Wenn Roboter an den Schauplätzen von Naturkatastrophen, von Menschen verursachten Katastrophen oder militärischen Konflikten verschiedene Aufgaben erfüllen, kommt der nicht-deterministischen Umgebung eine besondere Bedeutung zu, in der neben extremen äußeren Bedingungen ein hohes Maß an Ungewissheit nicht nur über die Parameter der Umgebung selbst, sondern auch über die durchzuführenden Operationen besteht. Die Widerstandsfähigkeit von Robotern gegenüber aggressiven Umgebungsbedingungen wird hauptsächlich durch ingenieurtechnische Lösungen gewährleistet. Gleichzeitig hängt die Fähigkeit von Robotern, angemessen und rechtzeitig auf unvorhergesehene Änderungen der Umweltparameter zu reagieren, in erster Linie von der gewählten Steuerungsstrategie sowie vom Intelligenzgrad des Roboters ab. Solche Roboter müssen mit einem leistungsfähigen Bordcomputer, einer ausreichenden Versorgung mit Bordstrom und oft auch mit einem umfangreichen Satz von Arbeitsorganen ausgestattet sein. Ein solches "Horten" führt zu einer Vergrößerung der Abmessungen und des Gewichts eines Roboters, was wiederum den möglichen Einsatzbereich erheblich einschränkt. Gleichzeitig gibt es unter den verschiedenen Aufgaben, die von der Extremrobotik gelöst werden, mehrere Aufgaben, für die ein kleiner Roboter wünschenswert und manchmal notwendig ist. Dazu gehören die Überwachung von Gebieten und Gewässern unter den Bedingungen eines organisierten feindlichen Widerstands, die Suche nach Opfern in den Trümmern nach Naturkatastrophen oder von Menschen verursachten Katastrophen, die Suche und Neutralisierung von Sprengsätzen bei Antiterroroperationen in dichten städtischen Siedlungen und die Erkundung der Oberfläche anderer Planeten usw. Für die Lösung solcher Aufgaben sind Mikroroboter mit geringen Abmessungen und einer geringen Masse erforderlich, die es ermöglichen, sich in engen Gängen frei zu bewegen und von feindlichen Radaren unbemerkt zu bleiben. Solche Roboter zeichnen sich durch geringere Kosten für den Transport des Roboterkomplexes zum Einsatzort aus. Die geringe Größe von Mikrorobotern bringt jedoch einige Einschränkungen mit sich:
- Es ist schwierig, sich in einem unvorbereiteten Raum zu bewegen, da relativ kleine Vorsprünge und Vertiefungen die Bewegung des Mikroroboters behindern können
- Die Aufgabe, große Körper (z. B. Erdbebenopfer oder Gesteinsproben) mit Hilfe eines Mikroroboters zu bewegen, ist schwierig. Die geringen Abmessungen eines Mikroroboters bringen auch mehrere indirekte Einschränkungen mit sich:
- Die kleine Bordenergiereserve des Mikroroboters,
- Kleine Größe und Stromverbrauch von Kommunikationsmitteln führen zu Einschränkungen des maximalen Funkkommunikationsradius,
- Die Anzahl der dem Roboter zur Verfügung stehenden Arbeitswerkzeuge ist erheblich begrenzt. Alle oben genannten Einschränkungen gelten für einen einzelnen Mikroroboter. Daher könnte eine naheliegende Lösung für diese Probleme darin bestehen, eine Gruppe von Mikrorobotern zu verwenden, die in der Lage sind, Anstrengungen zu bündeln, um komplexe Aufgaben zu lösen. Mikroroboter können sich gegenseitig beim Überwinden von Hindernissen helfen und gemeinsam den Transport eines großen Körpers durchführen. Der Informationsaustausch in einer Gruppe von Robotern ermöglicht es, Informationen über die Umgebung zu erweitern, die jedem Roboter zur Verfügung stehen. Gleichzeitig können einige Aufgaben auf Mikroroboter verteilt und parallel ausgeführt werden. Während beispielsweise einige Roboter in einer Gruppe Umweltdaten sammeln, sammeln andere Bodenproben. Darüber hinaus hilft der Gruppeneinsatz von Mikrorobotern, das Risiko eines Aufgabenversagens zu reduzieren, da die Beschädigung eines oder mehrerer Gruppenmikroroboter im allgemeinen Fall (vor allem bei Schwarm- und kollektiven Steuerungsstrategien) nicht zu einem Aufgabenversagen führt. Es verringert jedoch die Effizienz der Gruppe. Gleichzeitig kann eine Beschädigung einzelner Einheiten eines einzelnen Roboters die von ihm ausgeführte Arbeit stören, und Versuche, die grundlegendsten Funktionseinheiten des Roboters zu duplizieren, führen zu einer Erhöhung der Masse, der Abmessungen und der Kosten des Roboters, tun dies jedoch nicht Steigerung der Arbeitseffizienz (sogar Verringerung angesichts der Größe und Gruppe).
Strategien zur Verwaltung einer Mikrorobotergruppe
Die Effizienz von Mikrorobotergruppen hängt hauptsächlich von der gewählten Steuerungsstrategie ab. Man unterscheidet zwischen zentralisierten und dezentralisierten Kontrollstrategien. Bei zentralisierten Kontrollstrategien hat ein zentrales Kontrollgerät Zugang zu Informationen über den Zustand aller Roboter in der Gruppe und der Umgebung. Das Steuergerät wertet die aktuelle Situation aus und trifft Entscheidungen über die Aktionen der Roboter der Gruppe's. Das zentrale Steuergerät kann sich außerhalb der Gruppe befinden (z. B. auf dem Bedienpult des Betreibers) oder an Bord eines der Roboter in der Gruppe. Im letzteren Fall spricht man von einer zentralen Steuerung "mit einem Master." Zentralisierte Steuerungsstrategien liefern gute Ergebnisse, wenn die Anzahl der Roboter in der Gruppe klein ist. Mit zunehmender Gruppengröße steigt die Belastung des Kommunikationskanals und der Rechenleistung des Steuergeräts. Eine Lösung sind hierarchische Steuerungsstrategien, bei denen eine Gruppe von Robotern in Untergruppen unterteilt wird, von denen jede einen Anführer hat (in der Regel aus den Reihen der Gruppenroboter), und die Anführer der Untergruppen von einem zentralen Steuergerät gesteuert werden, das sich an Bord eines der Roboter oder häufiger außerhalb der Gruppe befindet. Hierarchische Kontrollstrategien erschweren die Kommunikation zwischen den Robotern in der Gruppe und stellen hohe Anforderungen an die bordeigene Kommunikationsausrüstung. Interferenzen im Kommunikationskanal sind für die Gruppe, die mit zentralisierten Kontrollstrategien arbeitet, äußerst nachteilig. Darüber hinaus führt der Ausfall eines Roboters, der eine Gruppe oder eine Untergruppe steuert, zu schwerwiegenden Problemen - die Kommunikation mit allen Robotern unter seiner Kontrolle geht verloren. Zu den dezentralen Strategien zur Steuerung von Robotergruppen gehören die Kollektiv-, Schwarm- und Schwarmsteuerungsstrategien. Bei einer kollektiven Kontrollstrategie empfängt jeder Roboter einer Gruppe Informationen von allen anderen Robotern in der Gruppe und überträgt die von ihm gesammelten Informationen über die Umgebung und seinen Zustand an den Kommunikationskanal, so dass diese Informationen allen anderen Robotern in der Gruppe zur Verfügung stehen. Der Informationsaustausch in einer Gruppe von Robotern unter kollektiver Kontrolle erfolgt also nach dem Prinzip "jeder für alle". Dadurch kann jeder Roboter die aktuelle Situation selbständig bewerten und über das weitere Vorgehen entscheiden. Kollektive Steuerungsstrategien ermöglichen es der Gruppe, bei Ausfall eines oder mehrerer Roboter in der Gruppe die Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Die Belastung des Kommunikationskanals steigt in direktem Verhältnis zur Anzahl der Roboter in der Gruppe. Auch die Begrenzung der auf den Robotern installierten Computer nimmt zu, da diese die empfangenen Informationen verarbeiten müssen. Obwohl die Obergrenze der zulässigen Gruppengröße bei kollektiven Steuerungsmethoden im Durchschnitt höher ist als bei zentralisierten Verfahren, lässt die Skalierbarkeit dieser Methoden zu wünschen übrig. Bei Schwarmsteuerungsstrategien gibt es keinen speziellen Kommunikationskanal für den Informationsaustausch zwischen Robotern; jeder Roboter sammelt unabhängig Informationen über die Umgebung und entscheidet selbständig über seine nachfolgenden Aktionen, um zur Gruppenaufgabe beizutragen. Da bei Schwarmsteuerungsstrategien keine Kommunikation zwischen den Robotern in einer Gruppe stattfindet, können nur solche Aufgaben erfolgreich gelöst werden, die sich leicht in unabhängige, nicht miteinander verbundene Teilaufgaben aufteilen lassen. Der Hauptvorteil von Schwarmsteuerungsstrategien ist die Skalierbarkeit: Die Rechenkomplexität der Steuerungsaufgaben nimmt mit zunehmender Größe der Robotergruppe nicht zu, so dass Schwarmstrategien große Gruppen von Mikrorobotern steuern können. Methoden der Schwarmintelligenz, die bereits zur Lösung vieler praktischer Probleme eingesetzt werden, können zur Steuerung großer Robotergruppen eingesetzt werden, was zur Entstehung einer eigenen Richtung, der sogenannten Schwarmrobotik, führte. Jeder Gruppenroboter kommuniziert nur mit einigen benachbarten Robotern, die in den durch die Reichweite seiner Telekommunikationsgeräte begrenzten (oder künstlich begrenzten) Sichtbereich fallen. Jeder Roboter trifft seine eigene Entscheidung über weitere Aktionen auf der Grundlage einfacher lokaler Regeln. Der Roboter hat Zugang zu den Informationen über die Umgebung, die er selbst gesammelt hat, sowie zu den Informationen über die Umgebung und den Zustand einiger Roboter in der Gruppe, die ihm von benachbarten Robotern übermittelt wurden. Der Roboter überträgt die gesammelten Daten über die Umgebung und ihre Form an den Kommunikationskanal. Diese Informationen werden denjenigen Robotern zur Verfügung gestellt, in deren Sichtlinie dieser Roboter eintritt (bei gleichem Sichtradius sind dies die gleichen Nachbarroboter). Durch diesen Ansatz erhalten die Roboter mehr Informationen über ihre Umgebung als bei Schwarmsteuerungsstrategien. Die verfügbaren Informationen beziehen sich auf den Bereich um sie herum, d. h., sie sind am wichtigsten. Gleichzeitig bleibt die Skalierbarkeit erhalten - eine Erhöhung der Gruppengröße führt nicht zu einer höheren Belastung der Bordcomputer. Somit bieten Methoden der Schwarmintelligenz hervorragende Möglichkeiten für die Entwicklung von massenanwendbaren Mikrorobotern, die den erfolgreichen Einsatz großer Gruppen von Mikrorobotern ermöglichen.
Hindernisse bei der Entwicklung von Anwendungen von Mikrorobotergruppen
Eines der offensichtlichen Hindernisse für die Entwicklung der Schwarmrobotik ist, dass mehrere Gruppen von Mikrorobotern als Steuerungsobjekte dienen müssen, was eine relativ kostengünstige Massenproduktion von Mikrorobotern voraussetzt. Die Fortschritte in der Mikroelektronik, Mechatronik und Nanotechnologie lassen vermuten, dass die Massenproduktion von Mikrorobotern in Kürze möglich und wirtschaftlich machbar sein wird.
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Das zweite Hindernis ist der Mangel an allgemeinen Theorien und Ansätzen für die Entwicklung von Methoden zur Schwarmsteuerung von Robotergruppen. Bisher konzentrierte sich ein Großteil der Forschung auf die Verwendung natürlicher Analoga von Methoden der Schwarmintelligenz zur Lösung technischer Probleme: Ameisen, Bienen, Vogel- und Fischschwärme sowie Immunsysteme dienten als Prototypen für verschiedene Methoden der Schwarmintelligenz.
Die Unterschiede in den Aufgaben und Fähigkeiten natürlicher und technischer Systeme machen es schwierig, natürliche Algorithmen für die Lösung technischer Probleme zu finden und anzupassen. Verschiedene Forschungsrichtungen widmen sich der Entwicklung künstlicher Methoden der Schwarmintelligenz, die ursprünglich für die Lösung praktischer Probleme gedacht waren. Leider werden diese Studien durch das Fehlen eines einheitlichen Ansatzes erschwert. In der Tat wird jedes neue Problem jedes Mal fast von Grund auf neu gelöst. Es wird erwartet, dass die Verwendung eines geeigneten Systems zur Lösung mehrerer Aufgaben die Aufgabe der Organisation der Schwarminteraktion in Gruppen von massenverwendbaren Mikrorobotern erheblich vereinfachen wird.
Kleine Roboter, große Perspektiven
Objekte auf der Mikroebene unterliegen Kräften und Gesetzen, die sich stark von denen auf der Makroebene unterscheiden, so dass eine grundlegende Erforschung dieser Phänomene unumgänglich erscheint. Eine große Herausforderung beim Einsatz mobiler Mikroroboter ist die Vorhersagbarkeit des Roboterverhaltens und der Kontrollierbarkeit, einschließlich des Schwarmverhaltens. Darüber hinaus benötigen Mikroroboter, die für Beobachtungen in militärischen und zivilen Anwendungen eingesetzt werden, zuverlässige und langfristige Energiequellen. Solche Anwendungen stellen auch erhebliche Herausforderungen für das Design von Mikrorobotern dar, je nachdem, ob es sich um fliegende, kriechende oder schwimmende Mikroroboter handelt. Auch die Kommunikation in Mikroroboterschwärmen ist eine große Herausforderung in dieser Anwendung. Eines ist klar: Während viele Mikroroboterprojekte und -ideen noch in den Kinderschuhen stecken, ist diese Branche für ein enormes Wachstum prädestiniert, denn die Möglichkeiten sind zahlreich. Nach Angaben von Energias Market Research wird die kumulative jährliche Wachstumsrate für den globalen Mikrorobotermarkt bis 2024 65 % betragen, da verschiedene Branchen Anwendungen für diese Technologien finden.