Evolution ist eine Reise. Einerseits scheint dies ein einfacher Mechanismus zu sein - Individuen, die besser an die Umwelt angepasst sind, bringen mehr Kinder zur Welt, und weniger angepasst vermehren sich nicht so stark, und ihre Gene werden herausgefiltert. Andererseits konnte sie eine erstaunliche Anzahl von Organismen erzeugen. Einige Tiere fliegen mit gefiederten Flügeln, andere mit zwischen den Fingern gespannten Membranen. Einige laufen auf zwei Beinen, andere auf vier. Und das alles auf ihre Weise an ihre Umgebung angepasst.
Die Evolution ist mächtig, und Robotik-Experten lassen sich heute von dieser Kraft inspirieren. Eine neue konzeptionelle Studie australischer Wissenschaftler untersucht, wie evolutionäre Algorithmen Beine für Roboter hervorbringen können, die auf bestimmten Oberflächen laufen können. Die Ergebnisse waren sowohl logisch als auch nicht intuitiv und seltsam - und deuteten auch auf eine neue Art der Herstellung von Laufmaschinen hin.
Die Forscher begannen mit 20 zufälligen Formen digitaler Beine, die durch eine bestimmte Größe begrenzt waren (wir brauchen keine drei Meter langen Beine von Albträumen). Jede Schaltung basiert auf Elementen, die als
Bezier-Kurven bekannt sind . „Die Bezier-Kurve ist in Microsoft Paint zu sehen, wo Sie eine Kurve für mehrere Kontrollpunkte definieren. Nur wir verwenden sie in drei Dimensionen“, sagt der Forscher David Howard von der australischen öffentlichen Organisation für wissenschaftliche und industrielle Forschung. Das System projiziert diese Kurven auf ein Raster aus dreidimensionalen Pixeln -
Voxeln . „An dem Punkt, an dem sich die Kurve mit dem Voxel schneidet, platzieren wir unser Material“, fügt Howard hinzu. "Alles andere bleibt leer." Infolgedessen wird jede Schaltung einzigartig.
Die Simulation untersucht die Eignung des resultierenden Beins für das Gehen auf drei verschiedenen Oberflächen: fester Boden, Kies und Wasser. Anstatt Eigenschaften wie gute Sicht oder Tarnung zu wählen, wie sie bei der natürlichen Selektion auftreten, wählt das System einfach Schemata für das Drehmoment aus, das der Motor entwickeln müsste, um ein Bein einer bestimmten Länge beim Gehen auf einer bestimmten Oberfläche zu drehen. Mit anderen Worten, ein gutes Bein ist ein energieeffizientes Bein. Boni wurden auch für Beine gegeben, die weniger Material benötigen.
„Für die Kiesoberfläche, auf die der Fuß geht, berechnen wir die auf jeden Kiesel wirkenden Kräfte“, sagt Howard. "Es gibt uns eine sehr genaue Vorstellung davon, was der Fuß in der Umwelt tut." Das gleiche passiert mit Wasser und festem Boden.
Dann nahmen die Forscher 20 der ursprünglichen Beine und kombinierten sie mit denen, die sich am besten zeigten. Sie wählten die am besten angepassten Beine, um Tochterbeine zu schaffen, ein bisschen wie die der Eltern. "Wir machen es einfach immer und immer wieder", sagt Howard. Seit tausend Generationen. Infolgedessen verschwand die Hälfte der Bevölkerung, die die schlechtesten Ergebnisse zeigte, als Tiere unter dem Einfluss von Umweltfaktoren in der Natur verschwanden. "Und dann wenden wir eine automatische Anpassung an die Umgebung an."
Im obigen Bild befinden sich in der ersten Reihe die Beine, die der Algorithmus für das Gehen auf einer harten Oberfläche als am effektivsten erachtet. Die mittlere Reihe wird für Kies bevorzugt, der Boden für Wasser.
Klingenartige Beine sind eine logische Wahl für das Gehen auf hartem Boden. Da es hart ist, fallen schmale Beine nicht durch. "So sind die Beine für Kies dicker, sie brauchen breitere Fußabdrücke", sagte Howard. Sie helfen den Beinen, auf dem Kies zu laufen und fallen nicht wie Schneeschuhe durch.
Dicke Beine für Wasser angepasst? Das ist immer noch ein Rätsel. "Mit dem Wasser ist etwas Seltsames passiert. Wir haben etwas erwartet, das wie Klingen aussieht, als würde man auf einer harten Oberfläche laufen", sagte Howard. Dies würde es ihnen ermöglichen, das Wasser zu durchschneiden. Bei allen anfänglichen Aufgaben können Sie auch dünnere Gliedmaßen vom System erwarten. „Aber die schmalen Beine haben nicht funktioniert. Wir sind uns noch nicht ganz sicher warum. “
Sehr seltsam waren auch einige Vorsprünge, insbesondere an den für den Boden bestimmten Beinen. "Wir mögen die Theorie, dass sie ihr eigenes Ziel haben", sagt Howard. Wenn Sie jedoch die Bezier-Kurve auf dem Voxelgitter markieren, ist ihr Teil, der nutzlos erscheint, Teil einer viel größeren Kurve, die Struktur innerhalb des Beins bietet. " Die Vorsprünge sehen brutal aus, aber in Wirklichkeit sind sie nur Artefakte, die nicht helfen, aber auch die Beine nicht stören. Howard und Kollegen haben das System so optimiert, dass es sie erkennt und automatisch löscht.
Die Forscher druckten diese Beine auf einem 3D-Drucker und verbanden sie mit einem sechsbeinigen Roboter. Jetzt planen sie, ihre Wirksamkeit auf einer realen Oberfläche im Vergleich zu von Menschen entworfenen Beinen zu testen. Das Team hat bereits Beispiele für solche Beine in den Simulator geladen, und es stellte sich heraus, dass die durch die "Evolution" erhaltenen Beine keine schlechteren und manchmal besseren künstlichen sind.
Warum müssen Sie sich bemühen, die Entwicklung von Robotern zu simulieren? Sie können dem Roboter beispielsweise eine enge Spezialisierung für das Bewegen auf einer bestimmten Oberfläche geben und sich nicht auf weit verbreitete Beine stützen. Theoretisch ermöglicht dies dem Roboter, in bestimmten Situationen besser zurechtzukommen, beispielsweise bei der Überwindung von Sanddünen.
„Wenn Sie den Roboter in einer anderen Umgebung einsetzen möchten, können Sie den Algorithmus einfach neu starten“, sagt Tonnes Nigaard, der an der Universität Oslo die Formänderung unter dem Einfluss der Roboterentwicklung untersucht und nicht an dieser Arbeit teilgenommen hat. „Wenn Sie ein System entwickelt haben, das speziell für einen bestimmten Zweck entwickelt wurde, ist dies in späteren Entwurfsphasen möglicherweise bereits unmöglich.“
Das Nigaard-System, ein vierbeiniger Roboter mit Teleskopbeinen, entwickelt sich unterwegs weiter. Durch Versuch und Irrtum - das heißt oft fallend - lernt er, beispielsweise auf einer eisigen Oberfläche zu laufen und seine Beine zu kürzen, um seinen Schwerpunkt zu senken. In Innenräumen kann er sie verlängern, um die Schrittlänge zu erhöhen und die Bewegungseffizienz zu erhöhen. Möglicherweise können diese beiden Technologien kombiniert werden: Verwenden Sie die Simulation, um ein geeignetes Fußdesign zu entwickeln, und bauen Sie es dann in eine reale Maschine ein, die sich ändern kann.
Und wenn es der Evolution gelingt, gut abzuschneiden, ist das überraschend. "Evolution sucht nach Antworten in einem viel breiteren Spektrum von Optionen", sagt Howard. "Es ist ihr egal, wie das Ergebnis aussieht." Sie mag völlig eingängig aussehen, nicht so, wie es sich ein menschlicher Ingenieur ausgedacht hätte. Aber wenn es funktioniert, ist nichts anderes wichtig. “