Stellen Sie sich jemals vor, wie Sie in einen riesigen Roboteranzug steigen und kämpfen oder schwere Gegenstände heben oder Autos umdrehen? Die Filme zeigen, dass dies ein erschwingliches Vergnügen ist. Tatsächlich kann das Erstellen eines solchen Geräts aus einer Blaupause eine große Herausforderung sein.
Seit vielen Jahrzehnten haben wir uns daran gewöhnt zu denken, dass das Schlachtfeld der Zukunft so aussehen wird: Riesenroboter, in denen Menschen sitzen (oder besser nicht sitzen). Diese titanischen Monster - besser bekannt als "Mechs" - sind zu einer Art Synopse für die Kriege der Zukunft geworden. Pilotroboter tauchten zuerst im japanischen Anime auf, wanderten aber sehr bald durch alle möglichen Serien in die westliche Welt. Hollywood-Filme wie Aliens, Avatar und Pacific Rim haben großartige Arbeit geleistet, um zu zeigen, wie es aussehen sollte.
Filme sind Filme, aber wie real sind solche Projekte in der Realität? Wann werden wir Leute sehen, die Riesenroboter steuern?
Jordan Weissman von Harebrained Schemes hat in den 1980er Jahren BattleTech-Spiele zum Thema Mech entwickelt. Er verfolgte einen relativ bodenständigen Ansatz, als er seine Mechs im Vergleich zu früheren Beispielen konzipierte. Jordan stellte sich Mechs vor, die aus einem Stahlrahmen gebaut waren, der von elektrisch geladenen künstlichen Muskeln umgeben war, die Gelenke bewegen, mit einem Kreiselstabilisator und einem Bordkraftwerk.
Jordans Grundbotschaft ist klar genug. Künstliche Muskulatur ähnelte in gewissem Maße elektroaktiven Polymeren. „Die elektrischen Strahlen, die sich beim Durchleiten von Elektrizität ausdehnen oder zusammenziehen, waren die Muskeln in unserem Balg“, sagt Weissman. "Dreißig Jahre später wird das gleiche Material jetzt für die Entwicklung von Prothesen verwendet."
Einer der Gründe, warum die menschliche Form Designer anzieht, ist das besondere ergonomische Design. "Die menschliche Anatomie ist unglaublich effektiv für das Gehen auf Felsen und Straßen", erklärt Rob Buckingham, Director of Race am Culham Science Center. "Sehen Sie sich nur einen Soldaten an, der in jedem Gelände ein Mehrfaches seines eigenen Gewichts tragen kann." Das Gehen auf zwei Beinen erfordert jedoch besondere Geschicklichkeit, und die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts kann sehr schwierig sein.
Wie kann man einen Drei-Meter-Riesen bedienen? Professor Setu Vijayakumar vom Edinburgh Robotics Centre schlägt eine Kombination aus Teleoperation und einem automatisierten System vor, das auf die Absicht des Piloten reagiert. "Die Absicht auf höherer Ebene wird vom Bediener ausgehen, aber in die Plattform wird viel Kontrolle auf niedriger Ebene eingebaut, beispielsweise die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts beim Gehen", sagt Setu.
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Tatsächlich ist es einfacher, einen vom Menschen kontrollierten Bipedal-Mech herzustellen, als einen eigenständigen. „Dies ist eine völlig realisierbare Technologie. Wahrscheinlicher als ein autonomes System, da ein vollständig autonomes System viele Probleme hinsichtlich der sensorischen und kontextuellen Entscheidungsfindung aufweist."
Für jede Art von Telekontrollsystem ist jedoch eine Kommunikationsplattform erforderlich, die manipulationssicher und fehlertolerant ist und 500.000 Vorgänge pro Sekunde ausführen kann.
Es stellt sich auch die Frage, mit welcher Energie das Fell arbeiten wird. Weissman dachte, dass BattleTech Mechs auf Fusionsreaktoren laufen würden, aber angesichts der heutigen Fusionsreaktoren in Fabrikgröße ist dies unwahrscheinlich. Die Mechs am pazifischen Rand verwendeten konventionelle Kernspaltungsreaktoren, die zwar eine hohe Leistung liefern, aber äußerst unsicher sind. „Batterietechnologie und Energiedichte bleiben theoretisch hinterherhinken“, sagt Setu. "Die Forschung ist im Gange, aber sie steckt noch in den Kinderschuhen, was getan werden kann."
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dem Piloten Kontextinformationen und Situationsbewusstsein zur Verfügung zu stellen. "Wir haben Fortschritte bei Echtzeitsteuerungen wie Balance gemacht", sagt Setu. "Das Problem ist, dass wir wissen, wie es geht, aber wenn wir mit realen Sensoren arbeiten, wird das System durch geringfügige Abweichungen in den Sensoren heruntergefahren."
Vibrationsfeedback - ähnlich wie bei Spiel-Joysticks - ist nützlich, um festzustellen, ob Sie etwas berühren oder nicht. Wenn der Pilot jedoch zusätzliche Empfindungen erhält, die dem, was der Roboter erlebt, einen Kontext hinzufügen, besteht die Gefahr, dass der Pilot mit unnötigen Informationen überfordert wird.
Je mehr Sie etwas bauen, desto schwerer wird es natürlich. Der auf eine Oberfläche ausgeübte Druck ist die Kraft geteilt durch die Fläche. Wenn Sie ein Bipedalsystem wie ein Fell haben, konzentriert sich der größte Teil der Masse auf die beiden Beine. Dies erzeugt einen „Haarnadel-Effekt“, bei dem sich das gesamte Gewicht auf einen kleinen Bereich konzentriert. "Wenn Sie eine Frau nehmen und sie alle in einem Viertel Zoll in einem Pfennigabsatz konzentrieren, kann sie eine ganze Menge Material durchschlagen", sagt Weissman.
Ein ähnliches Problem hatten die Deutschen bei der Entwicklung des superschweren Maus-Panzers im Zweiten Weltkrieg. Mit einem Gewicht von 188 Tonnen bestand es die Tests an Stahlbetonbrunnen, blieb aber beim ersten Feldtest im Boden stecken.
Ein weiteres Problem wird sein, das Fell zum Laufen zu bringen. Der Kreiselstabilisator ermöglicht es bereits Maschinen wie Kreuzfahrtschiffen, sich selbst auszugleichen. Trotzdem ist das Gehen ein sehr instabiler Prozess. Menschen gehen, indem sie vortreten und ihr Gewicht auf ihre Beine legen. Und je höher das Objekt, desto schwieriger ist es, das Gleichgewicht zu halten.
Kuratas, entwickelt von Suidobashi Heavy Industry, und Mark-2, entwickelt von MegaBots, beide als 'Mechs' bezeichnet. Obwohl beide die menschliche Form imitieren, verlassen sich die Roboter auf Radbewegungen anstelle von Zweibeinbewegungen. Ein Problem ist, dass die Nachahmung der menschlichen Form - die ein gut verteiltes System aus Gewicht und Energie hat - eine Herausforderung für Ingenieure darstellt.
Die Motoren in jedem Gelenk könnten das Problem lösen, aber eine solche Lösung erfordert schwere Motoren, um den Rest des Körpers zu stützen. Die Motoren sind relativ schwer, so dass viel Gewicht in den Gelenken konzentriert wird und es für das Fell schwieriger wird, das Gleichgewicht zu halten.
Die Forschung an pneumatischen Muskeln schreitet voran, aber für jedes Gelenk werden zwei benötigt. „Aus pneumatischen Muskeln kann man mit fünf Gelenken etwas schaffen“, sagt Setu. "Aber wenn Sie versuchen, sie zu einem zweibeinigen System zusammenzufügen, geht alles in Bezug auf Elektronik, Routing und Verkabelung zur Hölle."
Mit dem Prototyp des Exoskeletts Assist Suit AWN-03 von ActiveLink haben wir bereits mit der Produktion von Bälgen begonnen. Dieser Unterstützungsanzug wird als Lösung für den Arbeitskräftemangel entwickelt, der bei einer alternden Bevölkerung auftreten kann. Gabelstapler und Aufzüge sind nicht für alle Situationen geeignet. „Es gibt einige isolierte Felder, die nicht mechanisiert werden können, und Industriearbeiter müssen immer noch schwere Gegenstände alleine tragen“, sagt Hiromichi Fujimoto, Präsident von ActiveLink.
Der nächste Schritt im Assist Suit besteht darin, das Gewicht und die Produktionskosten zu senken und dann ein Modell für schwerere Arbeiten zu entwickeln. Der neue Assist-Anzug kann Gegenstände heben, die eine Person sonst nicht alleine heben könnte.
Eines Tages werden wir von Menschen gesteuerte Exoskelette für bewegliche Lasten und möglicherweise schwere Konstruktionen haben. Aber riesige Mechs, die über Gebäude treten, bleiben weiterhin Blockbuster-Material. "In der Fiktion sieht alles hübsch aus, aber wenn man von praktischen Militärtransporten spricht, möchte man wahrscheinlich nicht, dass sie groß sind", sagt Weissman.
"In gewisser Weise ist die gesamte Technologie bereits vorhanden", sagt Setu. "Wir werden humanoide Mechs herstellen, wenn wir sie verwenden können." Nur Science-Fiction-Autoren kümmern sich darum, ob sie zwei Arme und zwei Beine haben."
ILYA KHEL
