Premierminister Zhuges Augen füllten sich mit Tränen. Geben Sie mir tausend Roboter wie diesen!

Der Roboterhund Benben und der Türrahmenroboter im heimischen Science-Fiction-Blockbuster „The Wandering Earth 2“ sind zwei sehr beliebte Charaktere.

Im Film wird Benben der Mondroboter genannt. Es handelt sich um ein multifunktionales mobiles Gerät, das auf Rädern und Füßen verwendet werden kann. Es kann sich im komplexen Gelände des Mondes frei bewegen. Er scheint über einen emotionalen Ausdruck und ein intelligentes Urteilsvermögen zu verfügen, das mit dem eines echten Hundes vergleichbar ist. Es kann sich seinen menschlichen Partnern gegenüber süß und kokett verhalten und ist jedermanns guter Freund.

Der Türrahmenroboter hat eine einfache und robuste zweibeinige Form im Türrahmenstil. Durch das Tragen verschiedener Funktionsmodule können Funktionen wie Sicherheitsinspektion, Brandbekämpfung, Aufprallschutz und sogar Abseilen beim Tauchen realisiert werden. Es ist eine solide Unterstützung, der die Menschen vertrauen können.

Die Einstellungen dieser beiden Roboter sind recht innovativ, aber gleichzeitig nicht rein phantasievoll.

Das macht uns gespannt: Vielleicht werden der Roboterhund Benben und der Türrahmenroboter in einigen Jahren tatsächlich Realität?

Von Puppen bis zu Roboterhunden wird der Science-Fiction-Traum allmählich Wirklichkeit

Diese Idee ist nicht unbegründet. Denn schon früh in der Menschheitsgeschichte gab es Visionen und Versuche, bionische Roboter nach dem Vorbild von Menschen, Tieren und Insekten zu erschaffen.

In dem alten taoistischen Werk „Liezi“ gibt es eine Geschichte mit dem Titel „Yanshi erschafft den Menschen“. In der Geschichte schuf ein Zimmermann namens Yanshi eine Puppe, deren Körperbau genau dem eines echten Menschen entspricht . Dies kann als der erste Science-Fiction-Roman Chinas angesehen werden.

Laut Mo Jing erfand Lu Ban einen Holzvogel, einen bionischen Vogel, der drei Tage lang in der Luft fliegen konnte.

Zhuge Liang aus der Zeit der Drei Reiche soll ein Transportmittel namens „hölzerner Ochse und fließendes Pferd“ erfunden haben, mit dem Güter problemlos über Bergstraßen transportiert werden konnten, was die Effizienz des Versorgungstransports erheblich verbesserte. Leider ist diese Fähigkeit seit langem verloren gegangen.

Auch in der Mythologie Europas, Amerikas, Indiens und anderer Länder gibt es zahlreiche Legenden und literarische Werke über Roboter.

Yanshi erschuf die Menschen (Quelle: Sohu)

Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat es möglich gemacht, dass diese Fantasien Wirklichkeit werden.

Im Jahr 1495 entwarf Leonardo da Vinci einen gepanzerten Roboter, der mit Ketten und Zahnrädern gesteuert werden konnte.

Eine moderne Nachbildung des von Leonardo da Vinci entworfenen Roboters (Quelle: Wikipedia)

Im 18. Jahrhundert erfand der französische Erfinder Vaucanson viele bionische Roboter, wie etwa den „ Flötisten“, den „Blasinstrumentenspieler“ und den „Blasinstrumentenspieler“ . Unter ihnen war die bionische Ente ein großer Erfolg und wurde sogar in den Werken von Schriftstellern wie Voltaire und Hawthorne erwähnt.

Die Verdauungsente (Quelle: blogspot.com)

Im Jahr 1867 erfand der Amerikaner Dedrick einen Karrenziehroboter , der mit Dampf betrieben wurde und sich langsam auf ebenem Boden fortbewegen konnte.

Dampfroboter (Quelle: Sohu)

Ein vierbeiniger Laufmechanismus, der 1870 vom Russen Tschebyschow erfunden wurde, gilt als der erste bionische Roboter, der aus Beinen und Füßen besteht .

Der von Tschebyscheff erfundene Laufroboter mit Beinen (Quelle: Artobolevsky, 1964)

Im Jahr 1893 meldete der Amerikaner Rygg ein Patent für ein mechanisches Pferd an. Der Kutscher benutzte Pedale, Ketten und Kurbeln, um die Beine des Pferdes entsprechend zu bewegen.

Schematische Darstellung des Patents für das von Rygg erfundene Roboterpferd (Quelle: Referenz [1])

Mit der Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie in den letzten Jahrzehnten haben Ingenieure große Fortschritte bei der Entwicklung und Herstellung bionischer Roboter gemacht, darunter der Roboterfisch „RoboTuna“, der Fische imitiert, der bionische Sprungroboter in Froschform, der Frösche imitiert, und die Roboterfliege „RoboFly“, die Insekten imitiert. Der beliebteste ist der Roboterhund SpotMini von Boston Dynamics.

Dies ist ein Internet-Promi-Produkt ähnlich dem Roboterhund Benben. Es verfügt über vier Beine und zusätzlich über einen multifunktionalen Roboterarm. Es verfügt über hervorragende Bewegungs- und Gleichgewichtsfähigkeiten und kann komplexe Aufgaben wie Frachttransport, Sicherheitspatrouillen, Katastrophenhilfe usw. erledigen.

Der Roboterfisch „RoboTuna“ (links), der froschförmige bionische Sprungroboter (Mitte) und die Roboterfliege „RoboFly“ (rechts) (Bildquelle: Referenz [2])

SpotMini Roboterhund (Quelle: futura-sciences.com)

Wissenschaftler der Shandong-Universität, des Harbin Institute of Technology, der National University of Defense Technology, der Yushu Technology und anderer Institutionen in meinem Land haben ebenfalls viele Arten von Roboterhundprodukten entwickelt, was einem „Huashan-Schwertwettbewerb“ gleicht.

Roboterhunde, entwickelt von der Shandong University (links), dem Harbin Institute of Technology (Mitte) und der National University of Defense Technology (rechts) (Quelle: Sohu)

Der Aktionscode bionischer Roboter

Wie das Sprichwort sagt: Laien beobachten die Aufregung, während Experten auf die Details achten.

Wie gelingt es diesen erstaunlichen bionischen Robotern, sich so lebendig zu bewegen? Obwohl sie seltsam aussehen, bestehen sie tatsächlich aus drei Funktionssystemen: Kontrollsystem, Übertragungssystem und Wahrnehmungssystem .

Unter ihnen ist das Steuerungssystem das Gehirn des bionischen Roboters , das Ausführungsbefehle an das Übertragungssystem senden kann. Diese Anweisung kann vom Bediener entschieden und gesendet werden oder sie kann vom Steuerungssystem autonom gesendet werden.

Das Übertragungsmodul führt die empfangenen Befehle über mechanische Übertragungskomponenten wie Motoren und Untersetzungsgetriebe aus.

Das Wahrnehmungssystem erfasst über verschiedene Sensoren den aktuellen Bewegungszustand und gibt die gewonnenen Informationen an das Steuerungssystem zurück, um diesem die nächste Entscheidung zu erleichtern .

Durch die koordinierte Aktion dieser drei Systeme kann ein einfaches geschlossenes Regelsystem gebildet werden.

Wenn man genau darüber nachdenkt, ist diese Regelung tatsächlich auch Teil biologischer Aktivitäten : Alle unsere täglichen Handlungen werden durch die Koordination von Gehirn, Gliedmaßen und Sinnen ausgeführt!

Das geschlossene Regelsystem des Roboters (Quelle: homemade)

Die Entwicklung eines bionischen Roboters ist nicht so einfach, wie Sie denken!

Basierend auf dem geschlossenen Regelkreissystem aus Steuerung, Mechanik und Wahrnehmung haben Ingenieure unterschiedliche strukturelle Designkonzepte und technische Implementierungstechnologien übernommen, um verschiedene Arten bionischer Roboter zu entwickeln. Sie stehen jedoch vor denselben Schwierigkeiten, die sich vereinfacht in den folgenden drei Aspekten zusammenfassen lassen.

Zunächst einmal ist die Entwicklung ausreichend intelligenter Algorithmen für die autonome Entscheidungsfindung eine große Herausforderung. Um beispielsweise zu erkennen und zu beurteilen, ob es sich bei einem Objekt vor Ihnen um ein Hindernis oder ein sich bewegendes Objekt handelt, sind intelligente Erkennungsalgorithmen auf der Grundlage von Bildern oder Radar erforderlich. Die Formulierung der besten Umleitungsroute bei Hindernissen erfordert den Einsatz von Pfadplanungsalgorithmen. Um die Bewegungsmuster verschiedener Organismen zu simulieren, etwa die Schwimmhaltung von Fischen, die Gehhaltung von Hunden und die Flughaltung von Vögeln, sind Steuerungsalgorithmen erforderlich, um den Gang jedes beweglichen Teils präzise zu steuern. Und um in Notfällen autonome Urteile fällen und die beste Wahl treffen zu können, sind komplexere Entscheidungsalgorithmen auf Basis künstlicher Intelligenz erforderlich.

Der 550-W-Quantencomputer in „The Wandering Earth 2“ ist eine künstliche Intelligenz mit der Fähigkeit zur Selbstiteration und -entwicklung und verfügt über äußerst leistungsstarke Funktionen. Das derzeit beliebte ChatGPT ist ebenfalls ein auf Big Data-Lernen basierendes Tool für künstliche Intelligenz, das die Welle der Entwicklung künstlicher Intelligenz auf der ganzen Welt angeführt hat.

550W Quantencomputer (Quelle siehe Wasserzeichen)

Zweitens kann durch die Entwicklung eines leistungsfähigen Getriebes vermieden werden, in das Dilemma des „Wollens, aber Nichtkönnens“ zu geraten. Das von bionischen Robotern verwendete Antriebssystem besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: einem Motor und einem Untersetzungsgetriebe. Elektromotoren dienen der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Der „Motor“ eines Spielzeug-Rennautos ist eine Art Elektromotor. Allerdings ist die Ausgangsgeschwindigkeit des Motors sehr hoch und entspricht nicht der Bewegungsgeschwindigkeit des bionischen Roboters. Daher ist ein Untersetzungsgetriebe erforderlich, um die Ausgangsgeschwindigkeit des Motors zu reduzieren. Damit bionische Roboter präzise greifen (hohe Übertragungsgenauigkeit), schwere Objekte heben (starke Tragfähigkeit) und keinen Lärm erzeugen (geräuscharm), entwickeln Ingenieure ständig verschiedene Arten von Motoren und Untersetzungsgetrieben mit guter Leistung und hoher Zuverlässigkeit für den Einsatz in unterschiedlichen Arten bionischer Roboter.

Harmonischer Reduzierer (links) und Zykloiden-Windrad-Reduzierer (rechts) (Bildquelle: Referenz [3])

Das Sensorsystem ist das Sinnesorgan des bionischen Roboters. Optische Sensoren, Ultraschallsensoren, Lidar, Infrarotsensoren usw. werden im Allgemeinen verwendet, um externe Objekte genau zu erkennen und dann Pfade zur Hindernisvermeidung zu planen. Trägheitsmesssensoren können verwendet werden, um die eigene Position und Haltung im aktuellen Raum zu erfassen; Kraftsensoren werden verwendet, um die Stärke der von externen Objekten ausgehenden Kraft zu erfassen. Wissenschaftler haben außerdem bionische Haut aus druckempfindlichen, flexiblen, leitfähigen Materialien erfunden, wodurch bionische Roboter echten Menschen und Tieren ähnlicher werden.

Kurz gesagt: Moderne bionische Roboter haben mit Unterstützung einer großen Menge schwarzer Technologie schnelle Fortschritte gemacht, die weit über die Prototypen früher bionischer Roboter hinausgehen.

Wenn Premierminister Zhuge Liang dies sehen würde, würde er wahrscheinlich in Tränen ausbrechen: „Wenn ich tausend Roboter wie diesen bekäme, wie könnte ich dann die Welt nicht vereinen?“

Quellen:

[1] De Santos PG, Garcia E, Estremera J. Quadrupedale Fortbewegung: eine Einführung in die Steuerung von vierbeinigen Robotern[M]. Springer Science & Business Media, 2007.

[2] Jian Xun. Forschungsüberblick und Entwicklungsrichtung bionischer Roboter[J]. Robotiktechnologie und -anwendungen, 2022(3):17-20. DOI:10.3969/j.issn.1004-6437.2022.03.017.

[3] Xiao Yaru, Wang Mingming, Ju Liying et al. Forschungsfortschritt zu Typen und Genauigkeit von Präzisionsreduzierern für Roboter[J]. Werkzeugmaschinen & Hydraulik, 2021, 49(7): 165-171. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3881.2021.07.032.

[4] Wang Haixia, Wu Qingfeng, Wu Xiangbin et al. Forschung zur Anwendung der Multisensorfusion bei der Positionswahrnehmung von Robotern[J]. Maschinenbau und Elektrotechnik, 2020, 49(12): 89-91. DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2020.12.026.

[5] He Huijuan, Wang Lei, Xu Dezhang. Ein Überblick über die Anwendung flexibler taktiler Sensoren in Robotern[J]. Sensoren und Mikrosysteme, 2015, 34(11): 5-7, 15. DOI: 10.13873/J.1000-9787(2015)11-0005-03.

Autor: Liuhuo

Ingenieur an einem Forschungsinstitut der Waffenindustrie