Mit Robotersamen Umweltüberwachung neu definieren
Gesündere Pflanzen und Wälder beginnen mit einer sorgfältigen Überwachung der Bodenqualität, Lufttemperatur und weiteren Umweltparametern. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts I-Seed(öffnet in neuem Fenster) gelingt es am besten, Daten dieser Art mit Robotern zu sammeln. Aber dabei handelt es sich nicht um typische Roboter. In der Praxis würden Sie vermutlich nicht einmal Notiz von ihnen nehmen. Was daran liegt, dass diese Roboter wie Samen aussehen. „Unser Ziel ist es, eine neue Generation von sich selbstständig entfaltenden, biologisch abbaubaren, miniaturisierten Softrobotern zu entwickeln, die von der Morphologie und den Ausbreitungsmechanismen von Pflanzensamen inspiriert sind“, berichtet Barbara Mazzolai, Leiterin des Labors für Softrobotik nach biologischem Vorbild am Italienischen Institut für Technologie(öffnet in neuem Fenster), dem koordinierenden Partner des Projekts.
Biologisch abbaubare Softrobotik-Samen
Zunächst wurden im Verlauf des Projekts die morphologischen Merkmale und Materialien der die Samen transportierenden Strukturen, etwa die Früchte, sowie deren Wechselwirkung mit der Umgebung untersucht. Auf der Grundlage dieser Analyse entwarfen die Forschenden dann fünf biologisch abbaubare Softroboter, bei denen das Aussehen und die Ausbreitungsmechanismen verschiedener Samen nachgeahmt werden. Bei einem Roboter wird beispielsweise den Selbsteingrabungsmechanismus des Pelargonium-Samens nachgeahmt, um die Bodenfeuchtigkeit zu überwachen, während bei einem anderen die fallschirmartige Gestaltung des Tragopogon-Samens als Vorbild dient, um Sensoren oder Samen zum Zweck der Wiederaufforstung zu transportieren. „Ausgestattet mit Sensormaterialien, die über chemische Transduktionsmechanismen auf wichtige Umweltparameter reagieren, ermöglicht jeder dieser samenartigen Roboter eine kostengünstige und umweltbewusste Überwachung“, erklärt Mazzolai. Zusätzlich zu den Robotersamen wurden im Zuge des Projekts außerdem neue In-situ-Sensortechnologien, mathematische Modelle für Softrobotiksysteme sowie maßgeschneiderte Lidar-, Photogrammetrie- und Georeferenzierungsverfahren entwickelt.
Wenn der Robotersamen seinem natürlichen Vorbild zu sehr ähnelt
Die von den Robotern gesammelten Daten können problemlos mithilfe einer mit Fluoreszenz-Lidar-Technologie ausgestatteten Drohne erfasst werden. Im Folgenden werden die Daten mit einem Softwareprogramm analysiert, das Georeferenzierung in Echtzeit zulässt. Obwohl praktisch, brachte dieser auf Drohnen basierende Datenerhebungsansatz einige unerwartete Herausforderungen mit sich. „Unser Roboter-Ahornsamen hat das Flugverhalten des natürlichen Samens derart genau nachgeahmt, dass die Robotersamen jedes Mal, wenn sich die Drohne näherte, um Daten vom integrierten Sensor einzusammeln, einfach davonflogen“, erzählt Mazzolai. Um dieses Problem zu beheben, beschloss das Projektteam, die ahornähnlichen Flügel des Samens zum passiven Fliegen beizubehalten, jedoch eine Verankerungsfunktion hinzuzufügen, damit sich der Robotersamen beim Landen der Drohne am Boden festhalten kann. „Dieser Zusatz gewährleistet die Stabilität sowohl bei Annäherung von Drohnen als auch unter windigen Bedingungen“, fügt Mazzolai hinzu.
Disziplinübergreifende Ökorobotik-Gemeinschaft
Neben der innovativen Robotertechnologie entstand durch das Projekt I-Seed auch eine neue, interdisziplinäre Gemeinschaft aus Biorobotik und Umweltwissenschaft. „Diese Ökorobotik-Gemeinschaft legt den Grundstein für die weitere Erforschung der Robotik aus einer Perspektive der stärkeren Nachhaltigkeit“, betont Mazzolai abschließend. „Ebenso wichtig ist, dass die Ausbildung einer neuen Generation von Fachleuten gefördert wird, die mit dem Wissen ausgestattet sind, um innovative, umweltbewusste Technologien zu konzipieren, die den dringenden ökologischen Herausforderungen gerecht werden.“ Das Projektteam arbeitet gegenwärtig an der Weiterentwicklung des Technologie-Reifegrads seiner fünf Prototyp-Robotersamen. Gleichermaßen ist geplant, die Anpassbarkeit dieser Technologie an den Einsatz in anderen Umgebungen, etwa in aquatischen Ökosystemen, zu erkunden.
Schlüsselbegriffe
I-Seed, Roboter, Pflanzensamen, Umweltüberwachung, Robotersamen, Softroboter, Drohne, Ökorobotik, Robotik
