Forscher des MIT haben einen Roboterfinger mit scharfer Spitze und Tastsensoren entwickelt, um vergrabene Objekte aufzuspüren. In Experimenten konnte der Finger, genannt „Digger Finger“, körnige Medien wie Sand und Reis durchgraben und die Formen der darin befindlichen Objekte präzise erkennen. Die Forscher gehen davon aus, dass der Roboter eines Tages vielfältige Aufgaben unter Tage übernehmen könnte, beispielsweise das Auffinden vergrabener Kabel oder das Entschärfen von Bomben.

Die Forschungsergebnisse werden auf dem kommenden Internationalen Symposium für Experimentelle Robotik vorgestellt. Erstautor der Studie ist Radhen Patel, Postdoktorand am Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT. Zu den Co-Autoren gehören CSAIL-Doktorand Branden Romero, Harvard-Doktorandin Nancy Ouyang sowie Edward Adelson, John-und-Dorothy-Wilson-Professor für Sehforschung am CSAIL und am Department für Kognitions- und Neurowissenschaften.

Die Suche nach Objekten, die in körnigem Material – Sand, Kies und anderen losen Partikeln – vergraben sind, ist nicht neu. Bisher nutzten Forscher Technologien, die den Untergrund von oben erfassen, wie beispielsweise Bodenradar oder Ultraschall. Diese Verfahren liefern jedoch nur ein unscharfes Bild der versunkenen Objekte. So können sie beispielsweise Gestein nur schwer von Knochen unterscheiden.

„Die Idee ist also, einen Finger zu entwickeln, der einen guten Tastsinn hat und verschiedene Dinge unterscheiden kann“, erklärt Adelson. „Das wäre beispielsweise nützlich, um vergrabene Bomben aufzuspüren und zu entschärfen.“ Die Umsetzung dieser Idee erforderte die Überwindung einiger Hindernisse.

Die erste Herausforderung für das Team bestand in der Form: Der Roboterfinger musste dünn sein und eine scharfe Spitze haben.

In einer früheren Studie verwendeten die Forscher einen Berührungssensor namens GelSight. Dieser Sensor bestand aus einem transparenten Gel, das mit einer reflektierenden Membran beschichtet war. Diese Membran verformte sich, wenn Objekte dagegen drückten. Hinter der Membran befanden sich drei LED-Farben und eine Kamera. Das Licht schien durch das Gel auf die Membran, während die Kamera das Reflexionsmuster der Membran erfasste. Anschließend extrahierten Algorithmen der Computer Vision die dreidimensionale Form der Kontaktfläche, an der der Finger das Objekt berührt hatte. Das Gerät bot zwar ein ausgezeichnetes künstliches Tastgefühl, war aber unangenehm sperrig.

Für den Digger Finger reduzierten die Forscher die Größe ihres GelSight-Sensors auf zwei Arten. Zunächst veränderten sie seine Form zu einem dünnen Zylinder mit abgeschrägter Spitze. Anschließend entfernten sie zwei Drittel der LEDs und verwendeten eine Kombination aus blauen LEDs und farbiger Fluoreszenzfarbe. „Das sparte viel Komplexität und Platz“, sagt Ouyang. „Dadurch konnten wir ihn so kompakt gestalten.“ Das Endprodukt war ein Gerät, dessen berührungsempfindliche Membran etwa 2 Quadratzentimeter groß war, ähnlich einer Fingerspitze.

Nachdem das Größenproblem gelöst war, konzentrierten sich die Forscher auf die Beweglichkeit. Sie montierten den Finger an einem Roboterarm und testeten ihn beim Graben in feinkörnigem Sand und grobkörnigem Reis. Granulare Medien neigen dazu, sich zu verstopfen, wenn sich zahlreiche Partikel darin festsetzen und das Eindringen behindern. Daher erweiterte das Team die Fähigkeiten des „Digger Finger“ um Vibrationen und unterzog ihn einer Reihe von Tests.

„Wir wollten herausfinden, wie mechanische Vibrationen helfen, tiefer zu graben und Verstopfungen zu lösen“, erklärt Patel. „Wir haben den Vibrationsmotor mit verschiedenen Betriebsspannungen betrieben, wodurch sich Amplitude und Frequenz der Vibrationen veränderten.“ Dabei stellten sie fest, dass schnelle Vibrationen das Medium verflüssigten, Verstopfungen beseitigten und ein tieferes Graben ermöglichten. Dieser Verflüssigungseffekt war jedoch in Sand schwieriger zu erzielen als in Reis.

Sie testeten außerdem verschiedene Drehbewegungen an Reis und Sand. Manchmal verfingen sich Körner beider Materialien zwischen der Tastmembran des Digger-Finger und dem zu ertastenden Objekt. Bei Reis waren die eingeschlossenen Körner so groß, dass sie die Form des Objekts vollständig verdeckten. Die Blockierung ließ sich jedoch meist mit einer kleinen Roboterbewegung beheben. Eingeschlossener Sand war schwieriger zu entfernen, aber aufgrund der geringen Korngröße konnte der Digger-Finger die Umrisse des Objekts dennoch erkennen.

Patel erklärt, dass die Bediener das Bewegungsmuster des Digger Fingers je nach Art des Mediums sowie Größe und Form der Partikel anpassen müssen. Das Team plant, weiterhin neue Bewegungsabläufe zu erforschen, um die Fähigkeit des Digger Fingers, verschiedene Medien zu bearbeiten, zu optimieren.

Adelson erklärt, dass der „Digger Finger“ Teil eines Programms ist, das die Einsatzmöglichkeiten robotischer Berührung erweitert. Menschen nutzen ihre Finger in komplexen Umgebungen, sei es, um einen Schlüssel in der Hosentasche zu finden oder einen Tumor während einer Operation zu ertasten. „Mit der Verbesserung der künstlichen Berührung wollen wir sie auch in Situationen einsetzen können, in denen man von vielen ablenkenden Informationen umgeben ist“, so Adelson. „Wir wollen zwischen Wichtigem und Unwichtigem unterscheiden können.“.

Diese Forschung wurde teilweise vom Toyota Research Institute über das Toyota-CSAIL Joint Research Centre, das Office of Naval Research und den Norwegian Research Council finanziert.