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Roboter spielen nicht nur in der industriellen Fertigung der Autoindustrie eine wichtige Rolle. Auch als Erkundungs-, Transport- oder Serviceroboter werden sie eingesetzt. Die Bewegungsabläufe zu modellieren, damit sie sich fortbewegen oder Gegenstände greifen können, ist eine aufwendige aber zentrale Herausforderung für Ingenieure. Dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart ist es gelungen, mit ihren »Genetic Robots« Bewegungsroboter automatisch – ohne Zutun des Konstrukteurs – von einem genetischen Software-Algorithmus konstruieren zu lassen.

Die Roboter bestehen aus zylinderförmigen Röhren mit Kugelgelenken, die je nach gefordertem Zweck und äußeren Faktoren verschiedene Formen annehmen können. »‘Bewege Dich möglichst effizient vorwärts auf einer ebenen Fläche‘, reicht als Input«, versichert Andreas Fischer, Industriedesigner und Produktentwickler am IPA. Fitnessfunktionen im Software-Algorithmus wählen aus, mit welchen Bewegungselementen der Genetic Robot am besten auf dieser Fläche vorankommt: Die Software bestimmt die Form der Röhren, die Lage der Bewegungspunkte und die Position der Antriebe (Aktuatoren).

Basis ist eine Physic Engine, in der die wichtigsten Umgebungseinflüsse wie Reibung des Bodens oder Schwerkraft implementiert sind. Soll der Genetic Robot auch Unebenheiten verkraften, Treppen steigen oder im Wasser schwimmen, lassen sich diese Umweltbedingungen simulieren. Ergebnis ist nicht nur eine, sondern eine Vielzahl an Lösungen, aus denen sich der Konstrukteur die besten heraussucht. »Ein weiterer Gewinn ist, dass der Algorithmus oft überraschende Varianten ausspuckt – ‚Mutationen’ auf die ein Konstrukteur nicht so ohne weiteres gekommen wäre«, erklärt Fischer. Mit dem Genetic-Robots-System lassen sich auch Teilkomponenten entwerfen wie zum Beispiel Greifsysteme für Industrieroboter.

Grundlage der implementierten Bewegungsabläufe ist die Bionik. Erfindungen der Natur werden entschlüsselt und Naturgesetze ins Technische übertragen. Die so gewonnenen bionischen Strukturen werden anschließend mit generativen Technologien gefertigt. Der ursprüngliche genetische Algorithmus stammt von den US-Wissenschaftlern Hod Lipson und Jordan Pollack und ihrem Golem-Projekt. Die Software wurde von der i2p – ideas to products GmbH in Sankt Gallen in der Schweiz so weiterentwickelt, dass die Geometrien der Roboter direkt als CAD-Datei ausgegeben und von elektronischen Werkzeugmaschinen produziert werden können. Die Mechatronik, das Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik und Informatik, sowie die Fortbewegung mittels eines generativ hergestellten Faltenbalg-Antriebs wurden am IPA geschaffen.

Fraunhofer-Gesellschaft / AL