Schneller als eine Fliege: Wie der KI-gesteuerte Insektenroboter des MIT sich um 450 % schneller bewegt, um Leben zu retten
1. Leichter als eine Büroklammer, schnell wie ein Insekt: Die Technik hinter dem Mikroroboter
Fliegende Mikroroboter versprechen schon seit langem, Such- und Rettungseinsätze zu revolutionieren, doch aufgrund physikalischer Hardware-Einschränkungen waren sie bisher weitaus langsamer und weniger wendig als natürliche Insekten. Die neueste Version dieses Roboters in Insektengröße, der am Soft and Micro Robotics Laboratory des MIT entwickelt wurde, ist etwa so groß wie eine Mikrokassette und wiegt weniger als eine normale Büroklammer.
Angetrieben von weichen künstlichen Muskeln, die sich mit hohen Frequenzen zusammenziehen, schlagen seine Flügel schnell genug, um einen beträchtlichen Auftrieb zu erzeugen. Doch während sich die mechanische Hardware im Laufe der Zeit verbesserte, blieb der integrierte Flugcontroller ein Engpass – frühere Versionen waren auf manuelle Feinabstimmung angewiesen, wodurch der Roboter auf langsame, starre und einfache Flugbahnen beschränkt war.
2. Das zweistufige KI-Gehirn: Wie imitatives Lernen extreme Agilität ermöglichte
Um komplexe aerodynamische Phänomene und unvorhersehbare Windturbulenzen in Echtzeit zu bewältigen, haben Forscher am MIT gemeinsam ein zweistufiges, KI-gesteuertes Flugsteuerungssystem entwickelt.
- Der „Expert Flight Planner“: Die erste Komponente nutzt einen modellprädiktiven Regler, der dynamische mathematische Modelle berechnet, um anspruchsvolle Flugmanöver wie scharfe Kurven und Saltos zu planen, wobei die physikalischen Drehmoment- und Kraftgrenzen des Roboters berücksichtigt werden.
- Echtzeit-Deep-Learning: Da der Expert-Planer zu viel Rechenleistung benötigt, um auf kleiner Hardware live ausgeführt zu werden, nutzten die Forscher das Imitationslernen, um eine ressourcenschonende neuronale Netzwerk-Strategie zu trainieren. Diese Strategie wandelt Positionsdaten sofort in Echtzeit-Schub- und Drehmomentbefehle um.
Bei Flugtests führte diese KI-Steuerungsarchitektur zu einer außergewöhnlichen Steigerung der Geschwindigkeit um 450 % und der Beschleunigung um 250%. Der Mikroroboter vollführte innerhalb von 11 Sekunden 10 aufeinanderfolgende Saltos und hielt dabei trotz Windstörungen seine Flugbahn auf wenige Zentimeter genau ein.
3. Von Laborakrobatik bis hin zu Katastrophengebieten: Sich durch Trümmer bewegen, wo Drohnen keinen Platz finden
In Katastrophenszenarien wie dem Einsturz von Gebäuden nach einem Erdbeben sind herkömmliche Quadcopter und kommerzielle Drohnen oft zu groß, um in enge Spalten vorzudringen oder sich durch dichtes Trümmerfeld zu bewegen. Mikroroboter in Insektengröße können durch winzige Spalten schlüpfen, ohne mit eingestürzten Wänden zusammenzustoßen.
Der Roboter kann zudem „Sakkaden“ ausführen – schnelle Neigungsmanöver, die die Bewegungen biologischer Fliegen nachahmen und eine rasche Beschleunigung sowie ein schnelles Abbremsen ermöglichen. Diese Stabilität ist entscheidend für künftige Versionen, die mit winzigen Bordkameras und Tiefensensoren ausgestattet sein werden. Zukünftige Forschungsarbeiten zielen darauf ab, Schwärme aus mehreren Robotern zu entwickeln, die sich autonom koordinieren können, um Überlebende in gefährlichen Umgebungen ohne menschliche Fernsteuerung aufzuspüren.