Programmierbare Materie Gemeinsam erfolgreicher! So verhalten sich Miniroboter im Schwarm

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Winzige Roboter könnten beispielsweise Arzneistoffe an die Körperstellen transportieren, wo sie direkt gebraucht werden. Mainzer Forscher untersuchen nun, wie sie als Kollektiv agieren.

Die Miniaturisierung schreitet auf allen Gebieten voran. Auch die Robotertechnik geht zu immer kleineren Einheiten über. Die Grundlagen für derartige Techniken werden auch in der Physik gelegt. So hat sich an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Statistische Physik mit einem neuen Ansatz befasst, bei dem ein Kollektiv von Minirobotern untersucht wird um ihr Verhalten zu analysieren. Die theoretische Basis dafür liefern Erkenntnisse über die Schwarmbildung. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht. Die Ergebnisse wiesen einen weiteren Weg auf, wie programmierbare Materie Wirklichkeit werden könne.

Viele Roboter sind effizienter als ein Einzelkämpfer

Um Aufgaben auf Ebene der Mikro- und Nanostrukturen zu erfüllen, sucht die Wissenschaft nach neuen Wegen, zumal die weitere Miniaturisierung von Geräten oder Bauteilen an Grenzen stößt, wie die Mainzer sagen. Ein neues Prinzip wäre es, anstatt nur einen Roboter mit einer Aufgabe zu betrauen, ein ganzes Kollektiv darauf anzusetzen. Denn ein einzelner Miniroboter hat wegen seiner Größe nur begrenzte Fähigkeiten, um eine Aufgabe zu erfüllen. Aber ein Kollektiv von Robotern, die zusammenarbeiten, könnte diese Aufgabe vielleicht sehr gut meistern. An diesem Punkt kommt die Statistische Physik ins Spiel, die mit Modellen das Verhalten von aktiven Teilchen beschreibt, vergleichbar etwa mit dem Verhalten von Vogelschwärmen.

Das Forschungsteam hat dazu das kollektive Verhalten von kleinen, kommerziell erhältlichen Robotern untersucht. Diese sogenannten „Walker“ werden von Vibrationen angetrieben und bewegen sich dadurch auf zwei Reihen von Beinchen vorwärts, erklären die Forscher. Weil Länge, Form und Steifigkeit der Beine von Roboter zu Roboter leicht unterschiedlich sei, erfolge die Bewegung auf kreisförmigen Bahnen mit einem charakteristischen Radius, der für jeden Walker spezifisch sei. Die Roboter, deren Aussehen und Bewegungsmuster an kleine Käfer erinnern, sind elliptisch geformt und richten sich bei Kontakt aneinander aus – so ähnlich wie die bekannten „Boxautos“ bei Kontakt aufeinander reagieren.

Statistische Physik beschreibt Verhalten im Kollektiv

Dem Forschungsteam aus Mainz fielen nun zwei Effekte auf, die sie bei der Arbeit mit dem Miniroboterschwarm feststellten. Diese treten ein, weil sich die Roboter eben in puncto Beine leicht unterscheiden, also die Gruppe eine größere Diversität zeigt. Erstens benötigen die Walker weniger Zeit, um den Raum zu erkunden, waren also schneller. Und zweitens sortieren sie sich, wenn sie durch eine Wand eingegrenzt werden. Je nach Bewegungsradius „kleben“ die Miniroboter dann an der Wand oder sammeln sich im Inneren.

Dieses Verhalten könnte man ausnutzen, heißt es weiter. Beispielsweise wenn die Roboter eine Fracht transportieren sollen und dazu mit der Fracht wechselwirken. Dann würde das Tempo, mit dem sie den Raum erkunden, zunehmen und die Fracht könnte dann schneller geliefert werden. Die Statistische Physik kann hier neue Einsichten vermitteln, welche Effekte ein Kollektiv von Robotern zum Positiven ausnutzen kann.

Das Teilgebiet der Physik, das sich mit der sogenannten aktiven Materie befasst, betrifft viele Bereiche der belebten und unbelebten Welt, in denen kollektives Verhalten oder kollektive Bewegungen erfolgen, wie die Experten sagen. Zum Beispiel gehört das Verhalten von Vogelschwärmen dazu, wie weiter oben bereits angemerkt. Das theoretische Verständnis, wie die Schwarmbildung funktioniere, wende man hier eben auf robotische Systeme an.

Einige Informationen zum zugrundeliegenden Projekt

Die Forschungen erfolgten im Rahmen des SFB/Transregio 146 „Multiskalen-Simulationsmethoden für Systeme der weichen Materie“. Dabei handelt es sich um eine Kooperation der JGU mit der TU Darmstadt und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Die nun vorgelegte Studie stützt sich einerseits auf Experimente, andererseits wurden Modellierungen auf dem Hochleistungsrechner Mogon II der JGU durchgeführt. Der Studienleiter Thomas Speck war von 2013 bis 2022 Professor am Institut für Physik der JGU und leitet nun das Institut für Theoretische Physik IV an der Universität Stuttgart.

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