Für die meisten Menschen ist die Uferpromenade der Rand der Stadt. Ein Crew von MIT-Forschern betrachtet es als eine dynamische, Lego-ähnliche Baustelle.
Ihr neues System namens „FloatForm„ist ein Schwarm kleiner quadratischer Roboterboote, die sich auf dem Wasser zu größeren Strukturen zusammensetzen, auseinanderbrechen und sich wieder zu etwas Neuem zusammensetzen, und das alles mit minimaler menschlicher Anleitung.
Jeder Roboter, etwa so groß wie ein Essteller mit einer Fläche von 21 Zentimetern im Quadrat, ist ein eigenständiges Schiff mit eigenen Triebwerken, Sensoren und Magnetverschlüssen. Gemeinsam deuten sie auf eine Zukunft hin, in der schwimmende Infrastruktur anpassungsfähiger werden könnte: eine temporäre Plattform nach einem Notfall, ein Markt auf einem Kanal oder eine Bühne, die für ein Pageant auftaucht und sich auflöst, wenn die Menge nach Hause geht.
„Unsere FloatForm-Projekte sehen eine Zukunft vor, in der die Uferpromenade zu einer programmierbaren Erweiterung der Stadt wird, in der sich autonome Boote bei Bedarf selbst zu Brücken, Plattformen und anderen nützlichen Strukturen organisieren können“, sagt Daniela Rus, Panasonic-Professorin für Elektrotechnik und Informatik am MIT und Direktorin des Pc Science and Synthetic Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT. „Diese Artwork der verteilten Robotik eröffnet neue Möglichkeiten für Mobilität, Notfallmaßnahmen, öffentlichen Raum und Infrastruktur auf dem Wasser.“
„Mit FloatForm verwandeln wir im Wesentlichen statische Wasseroberflächen in dynamische, programmierbare Räume“, sagt Wei Wang, Hauptautor einer neuen Studie Papier zum Projekt und ein ehemaliger MIT-Forschungswissenschaftler, der jetzt das Marine Robotics Lab an der College of Wisconsin in Madison leitet. „Stellen Sie sich eine städtische Umgebung vor, in der der öffentliche Raum nicht festgelegt ist, sondern sich bei Bedarf autonom erweitern, zusammenziehen oder neu konfigurieren kann.“
„Wir betrachten es als die Bildung einer Infrastruktur auf dem Wasser, indem wir ein modulares System verwenden, um ein größeres System zu schaffen“, sagt Alejandro Gonzalez-Garcia, ein ehemaliger Forscher am MIT CSAIL und am Senseable Metropolis Lab. „Im Notfall könnten Sie eine neue Brücke bauen, um den Verkehr in der Stadt zu entlasten. Oder Sie könnten schwimmende Märkte und schwimmende Bühnen schaffen. Wenn Sie eine lebenswertere Stadt wollen, wollen Sie auch das Wasser nutzen.“
Das Open-Entry-Werk, heute veröffentlicht in Naturkommunikationstammt aus den Laboren von Rus und Carlo Ratti, Professor für Praxis urbaner Technologien und Planung am MIT und Direktor des Senseable Metropolis Lab, und erwächst daraus Roboterihr gemeinsames Projekt mit dem Amsterdam Institute for Superior Metropolitan Options, bei dem autonome Schiffe in Originalgröße auf Amsterdams Kanälen eingesetzt werden. Diese Kanäle transportierten einst die Güter der Stadt; Heute befördern sie hauptsächlich Touristen.
„Wir haben untersucht, ob die Kanäle zur Müllsammlung oder zum Transport genutzt werden könnten, um einen Teil der Belastung der Straßen wieder auf das Wasser zu verlagern“, sagt Niklas Hagemann, Architekturstudent am MIT, CSAIL-Accomplice und ehemaliger Senseable Metropolis Lab-Forscher, der seit seiner Anfangsphase an dem Projekt gearbeitet hat. „Städtische Gebiete werden immer dichter. Könnte man additionally den öffentlichen Raum auf Gewässer ausdehnen, die derzeit nicht ausreichend genutzt werden?“
FloatForm verkleinert diese Imaginative and prescient auf Tischgröße, um eine schwierigere Frage zu beantworten: Wie bringt man Dutzende und schließlich Tausende von schwimmenden Robotern dazu, sich selbst zu organisieren?
Lehren aus dem Ameisenfloß
Die Antwort fand das Crew in der Biologie. Bekanntermaßen überleben Feuerameisen Überschwemmungen, indem sie ihre Körper zu lebenden Flößen verbinden, ohne dass ein Anführer den Zusammenbau choreografiert. Jede Ameise folgt einfachen lokalen Regeln und es entsteht eine widerstandsfähige Struktur.
„Jede Ameise ist ein unabhängiger Agent“, sagt Gonzalez-Garcia. „Wir wollten, dass jeder Roboter seine eigenen Fähigkeiten hat, so wie Ameisenkolonien ein Floß bilden.“
Die meisten existierenden selbstorganisierenden Robotersysteme, auf dem Wasser und anderswo, basieren auf einem zentralen Pc, der jede Bewegung vorschreibt. Dieser Ansatz ist anfällig für Single Factors of Failure und lässt sich schlecht skalieren: Die Planungsmathematik steigt, wenn Roboter hinzugefügt werden, und der Schwarm muss sich nacheinander zusammensetzen, wobei die meisten Roboter im Leerlauf sind, während sie warten, bis sie an der Reihe sind. FloatForm dreht das Gleichgewicht um. Ein leichter zentraler Planer greift nur sparsam ein und weist jedem Roboter eine endgültige Place zu, um das Gitter zu perfektionieren, ein Maß an geometrischer Präzision, das rein verteilte Methoden nur schwer garantieren können. Alles andere, einschließlich der Navigation zur Zielform, der Vermeidung von Kollisionen und der Anpassung an Störungen, läuft über die Roboter selbst, die sich koordinieren, indem sie Positionen mit ihren unmittelbaren Nachbarn austauschen. Der ganze Schwarm bewegt sich auf einmal.
Diese Parallelität zeichnet die Arbeit aus. Die Planungskomplexität des FloatForms-Ansatzes hängt nur von den lokalen Nachbarn eines Roboters ab, nicht von der Gesamtgröße des Schwarms. „Was wir versuchen, ist, minimale zentrale Eingriffe vorzunehmen und sie alle gleichzeitig bewegen zu lassen“, sagt Gonzalez-Garcia.
Bei Experimenten am MIT versammelte sich eine Flotte von acht Robotern wiederholt von zufälligen Positionen zu einer Zielform, verriegelte sich in einer starren Struktur, brach auf Befehl auseinander, setzte sich wieder zu einer neuen Konfiguration zusammen und fuhr dann als einzelnes Schiff über das Becken, wobei jeder Lauf vier bis acht Minuten dauerte. In diesem letzten Modus, dem kollektiven Transport, zeichnet ein Planer eine Flugbahn für die gesamte Struktur auf und jeder Roboter berechnet seinen eigenen Beitrag. „Jeder Roboter wird zum Aktuator“, erklärt Gonzalez-Garcia. Simulationen zeigten, dass sich das Framework problemlos auf Schwärme von 64 skalieren lässt.
„Das Schöne an diesem weitgehend dezentralen Ansatz ist, dass die Berechnung nicht ins Stocken gerät, wenn der Schwarm wächst“, sagt Wang. „Ob Sie mit acht oder 80 Booten arbeiten, die gesamte Flotte koordiniert und bewegt sich gleichzeitig. Da sich die Gesamtmontagezeit grundsätzlich nicht wesentlich erhöht, bleibt das System hoch skalierbar.“
Zusammenzuhalten zahlt sich auch körperlich aus. „Unsere Boote werden stabiler, wenn sie wie das Ameisenfloß zusammengefügt werden, wenn es Wellen oder Strömungen gibt“, sagt Hagemann.
Ein Origami-Händedruck
Die Roboter verbinden sich über einen Verriegelungsmechanismus, der vollständig in jedem Rumpf verborgen ist. Ein einzelner Servomotor in der Mitte treibt eine von Origami inspirierte auxetische Struktur an, eine Geometrie, die sich gleichmäßig in alle Richtungen gleichzeitig zusammenzieht und dabei Permanentmagnete an allen vier Seiten nach innen zieht, um sie freizugeben, oder sie nach außen drückt, um einen Nachbarn über Lücken von 10 bis 15 Zentimetern zu ergreifen. Die Magnete sind mit wechselnder Polarität angeordnet, sodass die Schiffchen zuverlässig in saubere quadratische Gitter einrasten.
Das Elegante daran ist, was der Mechanismus nicht tut: (viel) Strom verbrauchen. Ein 3D-gedrucktes Getriebe hält den Riegel bei ausgeschaltetem Motor in beiden Zuständen. „Zum Ein- und Ausklinken wird Energie verbraucht, aber zwischen diesen Zuständen wird keine Energie verbraucht“, sagt Hagemann. Für eine Infrastruktur, die eine Konfiguration möglicherweise stundenlang hält, ist das wichtig. „Weil die Roboter so klein sind, kann man nur eine so große Batterie haben“, fügt Gonzalez-Garcia hinzu. „Wenn sie beim Einrasten weniger Energie verbrauchen, können sie mehr für die Berechnung oder die tatsächliche Bewegung aufwenden.“
Der Weg dorthin erforderte einiges an demütigender Ingenieurskunst. Vier Miniaturtriebwerke, die in einem „X“ angeordnet sind, ermöglichen jedem Roboter eine omnidirektionale Bewegung, einschließlich Drehungen auf der Stelle, aber sie üben im Verhältnis zur geringen Trägheit der Roboter große Kräfte aus, was dazu führte, dass frühe Prototypen zuckend waren und bei niedrigen Geschwindigkeiten zu aggressiven Drehungen neigten. Das Crew fügte Stabilisierungsflossen hinzu, um den hydrodynamischen Widerstand zu erhöhen, und stimmte die Steuerungen so ab, dass sie bei Robotern, die in dieser Größenordnung nie ganz identisch sind, sturdy bleiben. Die Magnete stellten ihr eigenes Drawback dar: Sie hielten so intestine, dass die Roboter sich manchmal lösen mussten, um sich zu lösen.
Vom Tank bis zum Kanal
In zehn Versuchen erfüllte das System seine Missionen ohne menschliches Eingreifen in 90 Prozent der Fälle mit vier Robotern und in 70 Prozent der Fälle mit acht. Wenn etwas schief ging, zeigte die Architektur ihre Widerstandsfähigkeit: Ein Roboter, der kurzzeitig die Orientierung verlor, konnte sich selbstständig wieder der Struktur anschließen, ohne den gesamten Schwarm zum Stillstand zu bringen, und Roboter, die in festgefahrenen Formationen feststeckten, lernten, sich loszuschütteln und es erneut zu versuchen.
Der Wechsel von einem kontrollierten Innenbecken zu einem echten Kanal oder Hafen erfordert mehr als nur Selbstvertrauen. „Es besteht immer ein Zusammenhang zwischen der Größe eines Bootes und dem Ausmaß der Störungen, die es bewältigen kann“, sagt Gonzalez-Garcia. „Diese Boote sind sehr klein, sodass sie in sehr unruhigem Wasser nicht funktionieren können.“ Eine Skalierung bedeutet, die Riegel zu verstärken, möglicherweise durch mechanische Verriegelung wie beim Roboat in Originalgröße, und die Ultraschall-Innenpositionierung des Labors gegen GPS oder visionsbasierte Sensorik einzutauschen. Hilfreich ist, dass der Koordinationsalgorithmus sensorunabhängig ist: Tauschen Sie die Sensoren aus, behalten Sie die Logik bei.
Das Crew stellt sich Anwendungen vor, die weit über städtische Kanäle hinausgehen, von der Bildung temporärer Plattformen für Offshore-Inspektion und -Wartung über adaptive Sensornetzwerke zur Untersuchung wandernder Arten bis hin zu rekonfigurierbaren Andockstationen für Notfallmaßnahmen in schwer zugänglichen Gebieten. Es besteht auch Potenzial für Offshore- und Ferneinsätze, von temporären Bauplattformen bis hin zu Umweltüberwachung und wissenschaftlichen Expeditionen.
Und die Geographie ist weit offen. „Venedig, die Niederlande, Belgien, die Fjorde und Seen Norwegens, wirklich jede Stadt mit einem Fluss kann davon profitieren“, sagt Gonzalez-Garcia. „Das Projekt nutzt Räume, in denen Wasser bereits wichtig ist, wirft aber auch die Frage auf: Wo sonst kann Wasser für etwas mehr genutzt werden?“
„Dies ist ein aufregender Schritt vorwärts bei der Verwirklichung verteilter kollektiver Verhaltensweisen auf dem Wasser“, sagt Steven Ceron, Assistenzprofessor an der College of Michigan, der nicht an der Forschung beteiligt conflict. „Zusammenbau, Selbstrekonfiguration und kollektive Bewegung sind in trockenen Umgebungen schwierig genug, aber das Erreichen dieser Verhaltensweisen in überwiegend verteilter Weise auf dem Wasser stellt eine ernsthafte zusätzliche Herausforderung dar, und dieses Crew hat sie glaubwürdig gemeistert. Durch die Verlagerung der Rechenlast auf die Roboter selbst haben sie ein widerstandsfähigeres System aufgebaut, das in naher Zukunft den Einsatz solcher Roboterkollektive in Freiwasserumgebungen für Suchoperationen, Umweltüberwachung und rekonfigurierbare Meeresinfrastruktur ermöglichen könnte.“
Gonzalez-Garcia, Hagemann und Wang haben das Papier zusammen mit den leitenden Autoren Ratti, der auch Professor am Politecnico di Milano ist, und Rus geschrieben. Gonzalez-Garcia ist außerdem dem MECO-Forschungsteam der KU Leuven angeschlossen. Die Forschung wurde durch ein Stipendium des Amsterdam Institute for Superior Metropolitan Options unterstützt, mit zusätzlicher Unterstützung von der College of Wisconsin in Madison. Das Crew dankt MIT Sea Grant und Professor Michael Triantafyllou für die Bereitstellung des Testtanks.