Evolution ist eine Reise. Einerseits ist es ein scheinbar einfacher Mechanismus - diejenigen, die am besten zu ihrer Umgebung passen, haben mehr Babys, während weniger gesunde Individuen weniger reproduzieren und ihre Gene aus dem System herausfiltern. Andererseits (oder Pfote oder Klaue oder Kralle) hat es eine erstaunliche Anzahl von Organismen hervorgebracht. Einige Tiere fliegen mit gefiederten Flügeln, andere mit zwischen den Fingern gespannten Membranen. Einige laufen auf zwei Beinen, andere vier. Jeder hat sich auf seine Weise an seine Umgebung angepasst.
Evolution ist unglaublich mächtig und es ist eine Art Kraft, die Robotiker jetzt nach Inspiration suchen. Neue Proof-of-Concept-Untersuchungen von Wissenschaftlern aus Australien untersuchen, wie mithilfe von evolutionären Algorithmen Roboterbeine entworfen werden können, die auf bestimmte Oberflächen zugeschnitten sind. Die Ergebnisse sind logisch, intuitiv und bizarr zugleich - und könnten Robotern einen neuen Weg weisen, Laufmaschinen zu konstruieren.
Die Forscher beginnen mit 20 randomisierten digitalen Beinformen, die auf eine bestimmte Größe beschränkt sind (sodass Sie keine 10 Fuß langen Albtraumbeine erhalten). Jedes Design basiert auf Elementen, die als Bezier-Kurven bezeichnet werden. "Eine Bezier-Kurve ist, wenn Sie in Microsoft Paint arbeiten und eine Kurve definieren, indem Sie auf einige Kontrollpunkte klicken, diese jedoch in drei Dimensionen", sagt der Forschungswissenschaftler David Howard von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization in Australien. Das System projiziert diese Kurven in ein Raster von 3D-Pixeln, die als Voxel bezeichnet werden. „Wir sagen nur, dass wir an jeder Stelle, an der sich die Kurve mit einem Voxel schneidet, etwas Material in dieses Voxel einbringen werden“, fügt Howard hinzu. „Alles andere ist leer.“Dadurch erhält jedes Design seine eigene Form.
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Die Simulation untersucht die „Fitness“eines bestimmten Beines, wenn es auf einer von drei Oberflächen läuft: auf hartem Boden, auf Kies oder durch Wasser. Nur anstatt Merkmale wie gutes Sehvermögen oder Tarnung auszuwählen, wie dies bei natürlicher Selektion der Fall ist, wählt das System, wie viel Drehmoment ein Motor aufbringen müsste, wenn er ein Bein antreiben müsste, das auf eine bestimmte Weise geformt ist, um über eine der Oberflächen zu laufen. Mit anderen Worten, ein energieeffizientes Bein ist ein gutes Bein. Bonuspunkte für Beinformen, die weniger Material benötigen.
„Wenn wir eine Kiesoberfläche haben und das Bein durchlaufen, berechnen wir die Kräfte auf die einzelnen Kiesstücke“, sagt Howard. „Es gibt uns einen sehr detailgetreuen Überblick darüber, was das Bein tatsächlich in der Umwelt tut.“Dasselbe gilt für Wasser und den harten Boden.
Die Forscher nehmen dann die ursprünglichen 20 Beine und kombinieren die leistungsstärksten. Das heißt, die am besten passenden auswählen, die sich „reproduzieren“, um Kinderbeine zu schaffen, die ein bisschen wie diese aussehen. "Wir machen das einfach immer und immer wieder", sagt Howard. Insgesamt hundert Generationen. Sie haben letztendlich die leistungsschwächste Hälfte der Bevölkerung entfernt, als ob eine schlimme Umgebung eine Population von Tieren in der Natur töten könnte. "Und dann bekommen wir diese automatische Anpassung an die Umgebung."
Schauen Sie sich das Bild oben an. Oben stehen die Beine, die der Evolutionsalgorithmus am effizientesten auf hartem Boden laufen lässt. Die mittlere Reihe ist für Kies und der Boden für Wasser.
Die klingenartigen Beine machen Sinn, wenn man über den Boden läuft: Weil die Oberfläche hart ist, sinken die abgespeckten Gliedmaßen nicht durch das Gelände. "Deshalb ist der Kies etwas dicker, weil er diese breiteren Abdrücke haben muss", sagt Howard. Das würde den Beinen helfen, auf Kies zu laufen, anstatt darin zu versinken. Wie Schneeschuhe.
Die fetten Beine für Wasser angepasst? Sie sind ein bisschen ein Rätsel. „Das Wasser war komisch, weil wir die gleichen klingenartigen Strukturen wie der Boden erwartet haben“, sagt Howard. Das würde sie das Wasser durchschneiden lassen. Außerdem würde man erwarten, dass das System aufgrund seiner Richtlinien schlankere Designs bevorzugt. „Aber es ist nicht so. Wir sind uns immer noch nicht hundertprozentig sicher, warum das so ist. “
Ein bisschen seltsam sind auch die Vorsprünge, die man auf einigen Beinen sieht, besonders auf den Bodenbeinen. "Die Theorie, die wir wollen, ist, dass sie tatsächlich einen Zweck erfüllen", sagt Howard. "Aber wenn wir die Bezier-Kurven in das Voxel-Gitter abbilden, ist der Teil der Kurve, der als nutzlos erscheint, tatsächlich ein kleiner Teil einer viel größeren Kurve, die dem Bein selbst eine gewisse Struktur verleiht." Sieht verdammt noch mal nach Metall aus, aber es sind nur Artefakte, die die Leistung des Beins wahrscheinlich nicht beeinträchtigen. Howard und seine Kollegen haben das System optimiert, um sie automatisch zu erkennen und zu löschen.
Die Forscher haben diese Dinge auch dreidimensional gedruckt und mit einem insektenähnlichen Hexapodroboter verbunden. Der Plan ist nun, zu testen, wie sie sich im realen Gelände im Vergleich zu von Menschen entworfenen Beinen verhalten. Das Team hat standardmäßige, von Menschen entworfene Beine in den Simulator geladen, und es gibt Hinweise darauf, dass die evolutionär entworfenen Beine die Leistung dieser Beine erreichen oder übertreffen.
Aber warum sollte man sich die Mühe machen, die Evolution für Roboter zu simulieren? Zum einen können diese Forscher einen Roboter hyperspezialisieren, um auf einem bestimmten Terrain zu laufen, anstatt sich auf Allzweckbeine zu verlassen. Theoretisch wäre ein Roboter dadurch besser in der Lage, eine bestimmte Umgebung wie eine Sanddüne zu bewältigen.
„Wenn Sie Ihren Roboter in einer anderen Umgebung einsetzen möchten, können Sie den Algorithmus einfach erneut ausführen“, sagt Tønnes Nygaard, der evolutionäre Formänderungsroboter an der Universität Oslo studiert, aber an dieser neuen Arbeit nicht beteiligt war. "Wenn Sie dies in einem System tun, das Sie für eine bestimmte Anwendung erstellt und entworfen haben, ist dies zu einem späteren Zeitpunkt möglicherweise nicht möglich."
Nygaards eigenes System, ein Quadruptroboter mit ausziehbaren Beinen, entwickelt sich im Nu. Durch Versuch und Irrtum, das heißt durch starkes Herunterfallen, lernt es, auf beispielsweise vereistem Boden zu gehen, indem es die Beine schrumpft, um den Schwerpunkt zu senken. In Innenräumen kann man es sich leisten, sie für längere Schritte und damit für eine effizientere Fortbewegung zu verlängern. Vielleicht ist es also möglich, die beiden Techniken zu kombinieren: Verwenden Sie die Simulation, um auf einem guten Design für einen Fuß zu landen, und integrieren Sie dieses dann in eine sich real entwickelnde Maschine.
