Institute for
HSR

Entwicklung eines selbstgrabenden Muschelroboters

Erfolgreiche Zusammenarbeit im Rahmen eines Forschungsprojekts der Universität Zürich.

 

Während Bachelor-Studierende der HSR Einblick in ein inter- disziplinäres Forschungsgebiet erhalten, profitiert das Labor für Künstliche Intelligenz der Universität Zürich von ihren ausgezeichneten praktischen und technischen Fähigkeiten.

Muscheln kennt man gemeinhin als eher exotische Speise oder als Erzeuger von schimmernden Perlen. Doch die muskulösen Körper geben nicht nur essbares Fleisch ab, die Ablagerung von Kalk nicht nur Perlen. Muskeln und die unterschiedlich geformten Kalkschalen ermöglichen das Eingraben und die Verankerung im Sediment. Sich einzugraben ist für die Muscheln eine Möglichkeit, sich vor natürlichen Feinden zu schützen. Andere Muschelarten bohren sich in Felsen, verankern sich an anderen Gegenständen, liegen lose auf dem Meeresgrund oder schwimmen gar mit schnellen Klappbewegungen durch das Wasser.

 

Das Graben bei Muscheln funktioniert ähnlich wie auch bei Würmern: während ein Körperteil sich ausdehnt und als Verankerung dient, wird ein anderer Teil vorwärts geschoben oder gezogen. Muscheln benutzen zwei solche Anker: ihre Schale und ihren Fuss. Letzterer ist eine zungenförmige Ausdehnung des Weichkörpers, die aus der Schale hinaus ins Sediment eindringt. Er entspricht dem länglichen Fuss, auf dem Schnecken kriechen, die wie Muscheln zu den Schalenweichtieren zählen. Schale und Fuss verankern sich also abwechselnd im Sediment (durch Öffnen bzw. Aufblähen), während das jeweilig andere Körperteil vorwärtsbewegt wird.

 

Interdisziplinäres Projekt

Am Labor für Künstliche Intelligenz der Universität Zürich wird generell den Einfluss des Körpers auf das Verhalten eines Lebewesens untersucht, in diesem Projekt konkret den Zusammenhang zwischen Schalenform und Grabeverhalten bei Muscheln. Anders, als ein Biologe dies tun würde, beobachten wir dafür nicht echte Muscheln, sondern versuchen, selber welche zu bauen. Mit diesem „synthetischen Ansatz“ wird im Gegensatz zum „analytischen Ansatz“, das natürliche System nicht (nur) analysiert, sondern auch synthetisiert, also künstlich nachgebildet. Auch wenn dieser Ansatz oft aufwendig ist, hat er den Vorteil, dass man schneller sieht, ob die entwickelte Theorie stimmt. Funktioniert die Nachbildung nämlich nicht, hat man das untersuchte Phänomen offensichtlich noch nicht richtig verstanden.

 

Die Anlage, die an der HSR entwickelt und gebaut wurde, um das Grabeverhalten von Muscheln nachzubilden, besteht aus einem Aquarium, das Wasser und Sand enthält, einem Muschelmodell und einem externen Antrieb, der die Grabebewegung auf das Modell überträgt. Zwei Linearmotoren ziehen abwechselnd an zwei umgelenkten Schnüren das Modell in den Sand. Das Modell bildet die Schalenform von Muscheln nach. Der entscheidende Vorteil einer selbst gebauten Muschel ist, dass man die verwendete Form vollständig unter Kontrolle hat. Als Modell kann eine echte Muschel dienen, oder es können mit mathematischen Modellen künstliche Muschelformen erzeugt werden. Die Formen werden jeweils mit einem 3D-Drucker als Objekte realisiert. Experimente, bei denen nur ein einziger Parameter auf einmal verändert wird, erlauben eine systematische Untersuchung des Einflusses der Form auf die Grabeeffizienz. Ein Mechanismus zum Öffnen und Schliessen der Schale sowie ein künstlicher Fuss sind geplant.

 

Eine weitere beteiligte Disziplin ist die Paläontologie. Bei einigen zum Teil ausgestorbenen Muschelarten ist nicht klar, wie und in welchem Untergrund sie gelebt haben. Mit unserer Experimentierumgebung wäre es möglich, die entsprechenden Fossilien zu scannen und nachzubilden, um anschliessend im Experiment das zu der Form passende optimale Bewegungsmuster und Sediment zu finden. Geplant ist auch das Nachahmen der Evolution durch Anwenden von Mutation und Selektion auf eine Reihe von Muschelschalen. Es wird spannend sein zu sehen, zu welchen optimierten Formen dies führen wird.

 

Erfolgreiche Zusammenarbeit

Es handelt sich um eine vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanzierte Doktorarbeit an der Universität Zürich. Im Rahmen von bisher drei Bachelorarbeiten unter der Betreuung von Prof. Dr. Agathe Koller wurde dieses Projekt vom Institut für Labortechnologie ILT der HSR unterstützt. Die Studierenden arbeiteten sehr systematisch und sorgfältig und waren sehr motiviert, in einem Forschungsprojekt an der Schnittstelle von Künstlicher Intelligenz, Robotik, Biologie und Paläontologie mitzuwirken.

Die Zusammenarbeit ermöglicht die komplementären Fähigkeiten der Universität Zürich und der Hochschule Rapperswil optimal zu nutzen. Die Kooperation führte auch zu einer Publikation an der diesjährigen Konferenz für Robotik und Automation ICRA 2010, einer der grössten Robotik-Konferenzen weltweit.

 

Autor: Daniel Germann; Doktorand, Labor für Künstliche Intelligenz, Universität Zürich

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