Autonome Systeme: Wenn Spinnen drucken

Der nächste Schritt beim 3-D-Drucken könnten krabbelnde Spinnenroboter mit Druckerdüsen sein. Siemens-Forscher in Princeton, New Jersey, haben Prototypen solcher Gliederfüßer entwickelt, die nicht nur mobil drucken, sondern ihre Aufträge gemeinsam mit mechanischen Artgenossen erledigen. Auf diese Weise lassen sich in einem beschleunigten Verfahren Strukturen und Oberflächen komplexer Gebilde wie Flugzeugrümpfe oder Schiffskörper gestalten.

In den Laboren des Siemens Corporate Technology Campus in Princeton wurden Spinnen gesichtet, riesige Spinnen. Sie wurden dabei ertappt, wie sie eine dickflüssige, süßlich riechende und klebrige Materie absonderten, die direct beim Auftragen zu trocknen scheint und eine glatte, glänzende Oberfläche zurücklässt. Und obwohl immer mehr Spinnen hinzukommen, löst niemand Alarm aus – aus gutem Grund.

SiSpis: Die Vorhut einer neuen Art von Robotern

Statt in umgebenden Waldgebieten oder dunklen Kellern tummelten sich die Spinnen seit Januar 2014 zunächst nur in der virtuellen Welt. Dann nahmen sie greifbare Gestalt an und begannen zu krabbeln – auf den Werkbänken von Livio Dalloros, dem Leiter der Forschungsgruppe für Produktdesign, Modellierung und Simulation des Arbeitsgebiets Automatisierung und Steuerungstechnologie in Princeton. Inzwischen sind die Spinnen als „Siemens Spiders“, kurz SiSpis, bekannt. Und sie sind womöglich die Vorhut einer neuen Art von Industrierobotern.

Im Grunde sind die SiSpis 3-D-Drucker auf Beinen, die das Material schichtweise im Mikrometerbereich auftragen. „Wir erwägen“, sagt Dalloro, „mehrere Autonome Roboter für die arbeitsteilige additive Fertigung von Konstruktionen wie Fahrzeugkarosserien, Schiffskörpern und Flugzeugrümpfen einzusetzen.“ Dabei bilden die autonomen Gruppen krabbelnder Druckroboter das Herzstück einer ganzen Reihe in Princeton entwickelter Systeme, die sich „Siemens Agile Manufacturing Systems“ (SiAMS) nennen.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Will man Materialschichten auf den Rohling eines Schiffsrumpfes auftragen, ist es aber mit einer Handvoll SiSpis nicht getan – es braucht womöglich Hunderte solcher Spinnentiere. Doch wenn sich so viele Roboter versammeln, um eine Aufgabe gemeinsam zu erledigen, wer koordiniert sie dann? Schließlich kann jede Spinne immer nur einen kleinen Teil eines Werkstücks bearbeiten. Die Antwort: Keine Spinne führt das Rudel allein an, sondern alle arbeiten autonom zusammen. Ermöglicht wird das kollektive Arbeitsprojekt durch eigens entwickelte Algorithmen für die Multi-Roboter-Aufgabenplanung.

Im Detail sieht das wie folgt aus: Um ihre unmittelbare Umgebung zu interpretieren, verwenden die Roboter Onboard-Kameras und einen Laser-Scanner. Jeder Roboter kennt den Bewegungsradius seines 3-D-Druckerarms und findet eigenständig heraus, welchen Teil einer flachen oder gewölbten Fläche er ansteuern kann, während die anderen Roboter dieselbe Technik zur Bearbeitung der angrenzenden Flächen verwenden.

Indem jedes Areal in vertikale Kästchen aufgeteilt wird, sind die Roboter in der Lage, selbst komplexe Geometrien gemeinsam so zu bearbeiten, dass kein Fleck ausgelassen wird. „Bisher hat noch niemand versucht, so etwas mittels mobiler Produktion durchzuführen“, erläutert Hasan Sinan Bank, der eine führende Rolle bei dem Projekt gespielt und mehrere dabei entwickelte Erfindungen zum Patent angemeldet hat.

Autonome Systeme

Auch andere Verhaltensweisen der Spinnen sind autonom angelegt. So kennen sie ihren genauen Standort. Wenn der Batteriestrom nach etwa zwei Stunden zur Neige geht, macht sich die Spinne auf den Weg zurück zur Ladestation, jedoch nicht ohne zuvor ihre Daten an eine andere Spinne zu übermitteln, die sich gerade aufgeladen hat. So kann die zweite Spinne dort weitermachen, wo die erste aufgehört hat. Die Spinnenroboter sind außerdem in der Lage, Hindernisse selbstständig zu umgehen. Langfristig soll das Projekt helfen, „eine Plattform autonomer Fertigungsmaschinen zu schaffen, die eine Aufgabe verstehen, diese eigenständig auf mehrere verfügbare Roboter aufteilen und gemeinschaftlich und koordiniert einen Fertigungsprozess bewerkstelligen“, so Dalloro.

Dank NX, einer Siemens-Product-Lifecycle-Management-(PLM)-Softwarelösung, und einer von Dalloros Team entwickelten Hybridsoftware, die NX mit dem an internationalen Robotikinstituten weit verbreiteten „Robot Operating System“ (ROS) verbindet, nahmen die Spinnen rasch Gestalt an. „Mit Ausnahme der Motoren und Kabel der Spinnen, die serienmäßig produziert werden, haben wir von der Mechanik bis zur Software alles selbst entwickelt“, erklärt Dalloro. Getreu dem Projektschwerpunkt, der auf der modernen Fertigung liegt, wurde jedes zunächst virtuell entworfene Bauteil mithilfe eines 3-D-Druckers angefertigt.

Know-how wird auf Industrieroboter übertragen

Darüber hinaus musste das Team Software-Tools entwickeln, die das Verhalten der Spinnen innerhalb von Robotergemeinschaften simulieren. Und schließlich waren auch Methoden zur genauen Kalibrierung der ähnlich wie bei 3-D-Druckern aufgebauten Düsen der Spinnen nötig. Für die Entwicklungsphase verwenden die Spinnen derzeit nur eine aus Maisstärke und Zuckerrohr hergestellte, als Polymilchsäure (PLA) bekannte Substanz.

Und wie sieht die Zukunft der Roboterspinnen aus? Das ursprüngliche Ziel der Forschungsgruppe in Princeton, nämlich ein System zu entwickeln, das sich durch maximale Autonomie und minimalen Programmieraufwand auszeichnet, ist bereits erreicht. Als nächstes überträgt das Team sein gesammeltes Know-how – vor allem Software und Algorithmen – von seinen Roboterspinnen auf eine Reihe von Industrierobotern, mit dem Ziel, die Technologie in der kollaborativen und mobilen Produktion einzusetzen. „Sobald die Technologie ausgereift ist“, schätzt Bank, „könnte man sie auf fast allem anwenden.“