Dieses Team aus Robotern mit Beinen könnte die Zukunft der Marserkundung sein

Wenn Sie im September 2022 in der Konzerthalle Rockhal in Luxemburg wie eine Fliege an der Wand gewesen wären, hätte Sie ein seltsamer Anblick erwartet: keine Bands oder jubelnden Menschenmengen in Sicht, sondern ein mit 220 Tonnen Lava gefülltes Gebiet und Felsen, während Roboterteams auf der Suche nach Ressourcen über den staubigen Boden kriechen.

Es war die zweite und letzte Runde der Space Resources Challenge der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), bei der Forschungsgruppen eingeladen wurden, ihre Roboterprototypen mitzubringen und ihre Fähigkeiten bei der Suche nach Ressourcen in einer simulierten Mondumgebung zu testen. Die Idee bestand darin, nach guten Ideen für die nächste Generation robotischer Weltraumforscher zu suchen, die dabei helfen könnten, Mondressourcen wie Wasser zu lokalisieren und zu kartieren, die für zukünftige bemannte Missionen unerlässlich sind.

Eines der Gewinnerteams der Herausforderung war ein Trio aus Robotern mit Beinen, die durch die Arena trabten, kletterten und herumstocherten und gemeinsam an der Kartierung, Identifizierung und Sammlung wissenschaftlicher Proben arbeiteten. Obwohl sich diese Herausforderung auf den Mond konzentrierte, könnten dieselben Prinzipien auf Roboter angewendet werden, die für den Mars und andere Planetenkörper bestimmt sind – und dieser Ansatz könnte es Robotern ermöglichen, neue Umgebungen zu erkunden, die noch nie zuvor gesehen wurden.

Wir haben mit Hendrik Kolvenbach vom Robotic Systems Lab der ETH Zürich gesprochen, der Gruppe, die die Beinroboter entwickelt hat, um mehr zu erfahren.

Eine Idee mit Beinen

Die aufstrebenden Mond-Bots werden nicht von Grund auf neu gebaut; Sie beginnen als kommerziell erhältliche Roboter von ANYbotics, das Beinroboter ähnlich denen von Boston Dynamics herstellt. Diese Modelle werden hauptsächlich für industrielle Inspektionen verwendet, könnten aber auch Potenzial für die Erkundung außerhalb der Welt haben.

Das Robotic Systems Lab hat die Hardware und Software dieser Roboter angepasst, indem es unter anderem einen Roboterarm zum Aufnehmen von Steinen von der Marsoberfläche hinzugefügt und verschiedene Gangmuster ausprobiert hat, um mit wechselndem Gelände zurechtzukommen. Die bei der ESA-Herausforderung verwendeten Roboterversionen waren etwa so groß wie ein mittelgroßer Hund und konnten eine kleine Nutzlast von bis zu 33 Pfund tragen. Kolvenbach sagte jedoch, dass neuere Systeme bis zu 110 Pfund tragen könnten.

Das ist genug für einen Roboter mit Beinen, um wissenschaftliche Instrumente wie Kameras, Spektrographen oder sogar eine kleine Bohrmaschine zu tragen. Die Roboter werden mithilfe von Reinforcement Learning trainiert, sodass sie mithilfe von Simulationen lernen, sich in schwierigen Umgebungen zu bewegen. Sie können sogar lernen, mit drei Beinen zu stehen, während sie mit dem vierten Glied Gegenstände in ihrer Umgebung anstoßen und manipulieren.

Das letztendliche Ziel dieser Forschung ist die Schaffung modularer Hardwaresysteme. Anstatt dass Weltraumforscher für jede Mission von Grund auf neu gebaut werden müssen, könnten zukünftige Missionen von der Entwicklung einer Robotiktechnologie hier auf der Erde profitieren, die eine Basiskonfiguration verwendet, die je nach Bedarf mit verschiedenen Instrumenten und Software angepasst werden kann.

Kolvenbach verglich es mit der Idee von CubeSats , einer standardisierten Schnittstelle und einem standardisierten Formfaktor, der die Integration verschiedener Nutzlasten ermöglicht, die Entwicklung für den Weltraum billiger macht und Hardware wiederverwendbar macht.

Das Unbekannte erforschen

Radroboter wie die Rover Curiosity und Perseverance , die derzeit den Mars erkunden, eignen sich für manche Dinge hervorragend. Sie bewegen sich relativ schnell über weites offenes Gelände und sind in der Lage, überraschend große Steine ​​und andere Hindernisse zu umgehen oder zu überwinden. Selbst wenn ihre Räder durch jahrelanges Schleppen über die Marsoberfläche unweigerlich beschädigt werden, wie es bei Curiosity der Fall war , können sie immer noch weiterfahren, solange die Fahrer vorsichtig sind.

Warum sollten also Roboter mit Beinen notwendig sein? Es hängt alles von den Umgebungen ab, die Missionen erkunden möchten. Sowohl der Mars als auch der Mond haben Oberflächen, die beispielsweise mit staubigem Material namens Regolith bedeckt sind, das Rover durchqueren sollen.

Aber an beiden Orten gibt es auch faszinierende unterirdische Regionen wie Lavaröhren, höhlenartige Strukturen unter der Oberfläche, die durch den Vormarsch heißer Lava vor langer Zeit entstanden sind.

Diese Lavaröhren sind von großem wissenschaftlichen Interesse , und es besteht auch ein praktisches Interesse daran, sie als Unterschlupf für künftige bemannte Missionen zu nutzen, da Astronauten darin unterirdische Stützpunkte errichten und vor gefährlicher Strahlung an der Oberfläche geschützt werden könnten. Aber niemand weiß genau, wie diese Umgebungen aussehen, daher müsste jeder Roboter, der sie erkunden möchte, vielseitig und in der Lage sein, unerwartete Herausforderungen zu meistern.

Roboter mit Beinen sind ideal für diese Art von Umgebung. Sie eignen sich auch gut für die Bewältigung steiler Hänge, wie sie in Kratern vorkommen. Das ist praktisch für Gebiete wie den Südpol des Mondes, einen aktuellen Hotspot der Explorationsaktivität, der permanent im Schatten liegende Krater beherbergt und wichtige Wassereisressourcen beherbergen könnte.

Pisten können schwierig sein. „Bei Robotern mit Rädern haben wir immer ein Traktionsproblem“, erklärte Kolvenbach. „Der Regolith ist trockenes, körniges Material und es gibt viele Fälle, in denen Rover stecken bleiben.“

Roboter mit Beinen seien „im Allgemeinen mobiler, aber das hat seinen Preis.“ Für flache Bereiche ohne große Herausforderungen sind Radroboter effizienter und es besteht kein Bedarf an komplexeren Beinrobotern. Um sich einen umfassenden Überblick über eine große Region zu verschaffen, besteht die Möglichkeit der Vermessung aus der Luft, wie der Hubschrauber Mars Ingenuity zeigt. Aber wenn es um unvorhersehbares und unstrukturiertes Gelände geht, seien Roboter mit Beinen „sehr wendig und robust“, sagte Kolvenbach. „Hier liegt der einzigartige Wert dieser Roboter.“

Als Team arbeiten

Eine andere Möglichkeit, die Herausforderungen der robotergestützten Erkundung anzugehen, besteht darin, die Möglichkeiten der Teamarbeit in Betracht zu ziehen. Da jeder Roboter mit Beinen viel kleiner ist als ein aktueller Marsrover, wären mehrere von ihnen erforderlich, um die gleiche Nutzlast wie ein Roboter mit nur einem Rad zu tragen. Das kann aber von Vorteil sein, da die Roboter sowohl einzeln als auch im Team arbeiten können.

Für die ESA-Herausforderung setzte das Labor ein Team aus dreibeinigen Robotern ein, obwohl ein Team theoretisch je nach den Anforderungen einer Mission größer oder kleiner sein könnte. Indem Sie die Verteilung der unterschiedlichen Nutzlasten auf die Teammitglieder ändern, können Sie Roboterspezialisten schaffen. Beispielsweise könnte ein Roboter Werkzeuge zur schnellen Kartierung eines großen Gebiets tragen, während ein anderer wissenschaftliche Instrumente zur detaillierten Untersuchung bestimmter interessanter Punkte trägt.

Dies bringt auch die Vorteile der Redundanz mit sich, da die wichtigsten Funktionen von allen Teammitgliedern gemeinsam genutzt werden können. Wenn also ein Roboter aus irgendeinem Grund ausfällt, können die anderen weiterhin weiterarbeiten und den Großteil der Aufgaben des ausgefallenen Roboters übernehmen.

Was die Kommunikation eines Roboterteams untereinander betrifft, werden in der Robotik-Community mehrere Ansätze in Betracht gezogen. Eine besteht darin, eine zentrale Basis zu haben, die die Aktionen jedes Roboters koordiniert. Das wäre ideal für die Erkundung großer, offener Gebiete, da Roboter in verschiedene Richtungen geschickt werden könnten, um Aufgaben wie das Sammeln von Proben zu übernehmen, die dann zur Analyse zur Basis zurückgebracht werden könnten. Größere und schwerere Instrumente könnten in der zentralen Basiseinheit verbleiben und Roboter würden als Kuriere fungieren.

Ein anderer Ansatz besteht darin, Kommunikationsknoten zu verwenden, wobei Roboter als Relais zum Senden von Befehlen fungieren. Das wäre ideal für die Erkundung unterirdischer Regionen, in denen die Kommunikation möglicherweise eingeschränkt ist. Roboter könnten eine brotkrumenartige Spur von Sensoren hinterlassen, um Befehle weiterzuleiten, sodass sie auch in unbekannten Umgebungen kommunizieren können.

Der eigentliche Vorteil dieses Ansatzes ist die Flexibilität. Welche Nutzlasten jeder Roboter trägt, wie viele Roboter Teil eines Teams sind und wie dieses Team strukturiert ist, kann je nach den Anforderungen einer bestimmten Mission oder Umgebung angepasst werden.

In den Weltraum gelangen

Bei den Beinrobotern, mit denen die Forscher gearbeitet haben, handelt es sich um kommerzielle Hardware. Sie zeigen also, dass die Technologie für die Erforschung des Weltraums vielversprechend ist, sind aber noch lange nicht weltraumtauglich. Der Einsatz von Hardware für eine Weltraummission stellt strenge Anforderungen, von der Fähigkeit, einem breiten Temperaturbereich standzuhalten, über die Bewältigung der Vibrationen und Stöße beim Start bis hin zur Notwendigkeit einer extrem hohen Zuverlässigkeit, da es außerhalb der Erde keine Reparaturwerkstätten gibt.

Zur Vorbereitung arbeitet das Team daher an einem raumfahrttauglichen Beinroboter namens Space Hopper . „Es ist ein relativ kleiner Roboter“, sagte Kolvenbach. Es wiegt weniger als 22 Pfund und verwendet handelsübliche Raumfahrthardware. Es sei ein pragmatischer erster Schritt gewesen, denn „der Transfer von einem Forschungsprototyp zu einer tatsächlichen Raumsonde ist eine Menge Ingenieursarbeit.“ Also beschlossen wir, etwas Kleines zu machen.“

Sie hoffen, dass Hopper in den nächsten Jahren als Technologiedemonstration flugbereit sein wird, gerade rechtzeitig für die Ausweitung der Raumfahrtmissionen und kommerziellen Missionen zum Mond. Hoffentlich öffnet es die Tür für die Weiterentwicklung größerer und komplexerer Roboter mit Beinen zur Erkundung neuer Umgebungen.

Kolvenbach beschreibt den zukünftigen Einsatz von Beinrobotern als „ein Kinderspiel“. Es gibt viele Fälle, in denen ein Roboter auf Rädern immer noch sinnvoll für die Planetenerkundung ist, aber wenn es darum geht, anspruchsvollere und wissenschaftlich interessante Umgebungen zu erkunden, sieht er Roboter auf Beinen als die Zukunft.

„Es besteht eindeutig ein Bedarf dafür“, sagte er. „Wir haben in der Vergangenheit viele Missionen in relativ flache, einfache Umgebungen auf anderen Himmelskörpern durchgeführt. Aber der Trend geht jetzt zu diesen anspruchsvolleren Umgebungen, weil man dort sehr interessante Wissenschaft betreiben kann. Aus wissenschaftlicher Sicht besteht eindeutig die Forderung, dorthin zu gehen. Und Roboter mit Beinen sind eine der neuen Technologien, die uns dazu bringen können, diese Wissenschaft zu betreiben.“