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Bionik Antbot navigiert autonom nach dem Vorbild der Wüstenameise

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Der französiche Nachwuchswissenschaftler Julien Dupeyroux hat einen sechsbeinigen autonom navigierenden Roboter nach dem Vorbild der Wüstenameise entwickelt. Für seine Forschungsarbeit hat er den ersten Platz beim International Bionic Award belegt.

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Mit Antbot ist ein bio-inspiriertes Navigationssystem entstanden, das es ermöglicht, auch auf kleinstem Raum präzise zu navigieren. Inspiriert von der Wüstenameise.
Mit Antbot ist ein bio-inspiriertes Navigationssystem entstanden, das es ermöglicht, auch auf kleinstem Raum präzise zu navigieren. Inspiriert von der Wüstenameise.
(Bild: Julien Dupeyroux)

Antbot ist ein Roboter, der sich wie Wüstenameisen bewegen, fühlen und verhalten soll. Entwickelt wurde der autonom ohne GPS zu navigierende Roboter vom Nachwuchswissenschaftler Julien Dupeyroux. Für seine Forschungsarbeit, die er an der Universität Aix-Marseille als Doktorarbeit durchführte, hat er den mit 5000 Euro dotierten International Bionic Award der Schauenburg-Stiftung erhalten.

Das Ziel der Forschung von Dupeyroux war es, einen Roboter zu bauen, der jene biologische Funktionen nachahmt, die bei der Nahrungssuche von Wüstenameisen zu beobachten sind. Diese Funktionen beinhalten die Erfassung und Verarbeitung visueller Informationen und eine darauf basierende relative Navigation, auch bekannt als Pfadintegration. Mit dem vollständig in 3D gedruckte Open-Source-Projekt zielt der Nachwuchswissenschaftler darauf ab, autonome Fahrzeuge mit neuen robusten und genauen Navigationssystemen auszustatten.

Wüstenameisen zählen ihre Schritte zurück zum Nesteingang

Im Gegensatz zu ihren europäischen Vettern können sich Wüstenameisen nach einem Streifzug durch die Wüste nicht auf Pheromonspuren nach Hause berufen. Unter den Bedingungen der sengenden Wüste würde die extreme Hitze die auf den Boden gefallenen Pheromone augenblicklich zerstören.

Stattdessen nutzen sie ihre Sehkraft und zählen ihre Schritte, um den Weg zurück zum Nesteingang zu finden. Dies ist eine berühmte Strategie, die Biologen Pfadintegration nennen und erklären, wie solche kleinen Insekten nach einer 1 km langen Flugbahn in der Wüste erfolgreich zum Nesteingang zurückkehren können. Dafür analysieren die Wüstenameisen das von der Atmosphäre kommende Licht, um ihren Kurs abzuschätzen. Dann schätzen sie die zurückgelegte Entfernung ab, indem sie ihre Schritte zählen und die Scrollgeschwindigkeit des Bodens integrieren: Dies bezeichnen die Biologen als optischer Fluss.

Inspiriert von den Augen der Ameisen

Um dieses Verhalten nachzuahmen, hat Dupeyroux den Antbot-Roboter mit zwei winzigen, unkonventionellen visuellen Sensoren ausgestattet. Der erste ist ein Himmelskompass: Er besteht aus zwei Pixeln, auf denen Filter angebracht sind, die das Himmelslicht messen und analysieren. Dieser Kompass funktioniert auf die gleiche Weise wie der traditionelle Magnetkompass - nur das hierbei die Referenz nicht mehr der magnetische Norden, sondern das Himmelslicht ist. Dieser Himmelskompass wurde von den Augen der Ameisen inspiriert, die für einige spezifische Eigenschaften des Himmelslichts empfindlich sind - Eigenschaften, die Menschen nicht sehen können.

Scrollende Geschwindigkeitssensor besteht aus nur 12 Pixeln

Der zweite visuelle Sensor reproduziert die Fähigkeit der Ameise, den optischen Fluss zu verfolgen (Schritte und Geschwindigkeit der zurückgelegten Strecke). Dieser scrollende Geschwindigkeitssensor besteht aus nur 12 Pixeln.

Darüber hinaus ähneln diese Pixel biologischen Augen und können sich daher an die Veränderung des Umgebungslichts anpassen. Dies ist ein Schlüsselparameter, um ein visuell-basiertes Navigationssystem in der realen Welt, in der sich das Umgebungslicht zufällig ändern kann, funktionsfähig zu machen. Der AntBot-Roboter verwendet diesen 12-Pixel-Sensor in Kombination mit dem Schrittzähler, um die zurückgelegte Strecke abzuschätzen.

Buchtipp

Mit bionischen Verfahren lassen sich Bauteile so gestalten, dass sie mit minimalem Aufwand ihre strukturmechanischen Funktionen erfüllen. Das Praxishandbuch Bionik in der Strukturoptimierung st ein Nachschlagewerk für ressourceneffizienten Leichtbau für Konstrukteure, Entwickler und Studierende.

Bio-inspiriertes Navigationssystem

Prof. Dr. Antonia B. Kesel von der Hochschule Bremen und Vorsitzende des VDI-Fachbereichs Bionik betont: „Der Clou der Forschungsergebnisse von Julien Dupeyroux ist, dass hier ein bio-inspiriertes Navigationssystem entwickelt wurde, das es ermöglicht, auch auf kleinstem Raum präzise zu navigieren - was mit den derzeitigen Systemen nicht möglich ist. Daraus ergeben sich nun vielfältige Anwendungsbereiche für Klein- und Kleinstroboter.“

Zweiter Platz geht an bioinspirierte Pumpe

Die Pumpe, die Falk Esser entwickelt hat, ahmt die Bewegung der menschlichen Speiseröhre nach.
Die Pumpe, die Falk Esser entwickelt hat, ahmt die Bewegung der menschlichen Speiseröhre nach.
(Bild: Falk Esser)

Mit der Entwicklung einer bioinspirierten Pumpe hat Dr. Falk Esser von der Plant Biomechanics Group und dem Cluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems" (livMatS) der Universität Freiburg den zweiten Platz beim International Bionic Award belegt. Die bioinspirierten Pumpe ahmt die peristaltische Bewegung der menschlichen Speiseröhre nach. Sie könnte herkömmliche Kühlmittelpumpen beispielsweise von Elektrofahrzeugen ersetzen und stellt eine leichte und formflexible Alternative zu diesen dar.

Die entwickelte Pumpe besteht aus flexiblem Silikon und verfügt über mehrere pneumatische Kammern. Werden diese einzeln und nach einem bestimmten Muster mit Druckluft gefüllt, entsteht eine wellenförmige peristaltische Bewegung wie sie auch durch das Zusammenziehen der Muskeln der Speiseröhre hervorgerufen wird. Die Pumpe kann so bis zu 300 Liter Flüssigkeit in der Stunde transportieren.

Von Käfern inspiriert

Der dritte Platz beim diesjährigen international Bionic Award geht an Gianni Jacucci von der University of Cambridge. Er ließ sich von der Natur inspirieren und stellt nachhaltige, weiße Materialien aus z.B. Zellulose her. Im Video erklärt er mehr über diese Methode:

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