Ingenieure haben einen Rucksack entwickelt, der am Rücken der Kakerlake befestigt wird und die Steuerung durch elektrische Stimulation ermöglicht. Es verfügt auch über eine Infrarotkamera und einen Navigationsalgorithmus, mit dem ein Cyborg verwendet werden kann, um anhand der von ihnen abgegebenen Wärme nach Personen zu suchen. Der Artikel wurde auf arXiv.org veröffentlicht.
Seit Jahrzehnten versuchen Ingenieure, Mikroroboter in der Größe von Insekten zu entwickeln. In den letzten Jahren haben sich bereits große Unternehmen wie Rolls-Royce für diese Richtung interessiert und die von ihnen finanzierten Entwicklungen zeigen bereits gute Ergebnisse. Die praktische Anwendung von Mikrorobotern wird jedoch bisher durch das Fehlen ausreichend kompakter Komponenten, insbesondere Aktuatoren und Stromversorgungen, eingeschränkt. Einige wissenschaftliche Gruppen lösen dieses Problem direkt, indem sie die notwendigen Technologien miniaturisieren, und die DARPA hat sogar einen Wettbewerb über mehrere zehn Millionen Dollar ausgeschrieben, der darauf abzielt, Komponenten und ganze Roboter zu entwickeln. Es gibt aber auch einen anderen Ansatz, bei dem ein lebender Organismus zugrunde gelegt wird, der sich effektiv bewegen kann, und in diesen mit Hilfe von Elektroden elektronische Module integriert werden. Am häufigsten werden dafür Käfer und Kakerlaken verwendet, obwohl es Beispiele für eine solche Integration mit fliegenden Insekten gibt.
Ingenieure aus Singapur, China, Deutschland und Großbritannien unter der Leitung von Hirotaka Sato von der Nanyang Technological University haben einen Cyborg basierend auf der Madagaskar-Kakerlake (Gromphadorhina portentosa) entwickelt, der sich entlang einer bestimmten Route bewegen und unterwegs Menschen finden kann.
Kakerlake mit Rucksack
Um Elektronik in eine Kakerlake zu integrieren, wählten die Autoren einen Standardansatz - die elektrische Stimulation. Dazu steckten sie jeweils eine Elektrode in die cercitentrillenförmigen Kanten auf der Rückseite des Insekts. Wenn diese Organe elektrisch stimuliert werden, dreht sich die Kakerlake in die entgegengesetzte Richtung: Bei der Stimulation des linken Cerci dreht sie sich nach rechts und umgekehrt. Und wenn beide Organe stimuliert werden, bewegt sich die Kakerlake weiter nach vorne, beschleunigt aber deutlich.
Im Rucksack der Kakerlake befinden sich neben den Elektroden ein Mikrocontroller mit Beschleunigungssensor, eine Bluetooth-Antenne, ein Akku und eine Infrarotkamera mit einer Auflösung von 32 mal 32 Pixeln. Es sind auch drei Infrarot-Tags daran befestigt - sie werden für eine genaue Positionsverfolgung benötigt. Dazu nutzten die Ingenieure ein externes Tracking-System, bestehend aus mehreren Kameras, mit dessen Hilfe das System in Echtzeit die dreidimensionale Position von Markern im Raum berechnet.
Auf dem Cyborg-Mikrocontroller arbeitet ein einfacher Navigationsalgorithmus. Die Autoren fragten ihn nach den Koordinaten der Zielpunkte, und vom Motion-Tracking-System erhielt er seinen eigenen Standort und Winkel relativ zum Ziel. Wenn der Winkel von Null um einen Betrag abweicht, der einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, gibt der Algorithmus einen Befehl zur elektrischen Stimulation, so dass die Kakerlake umkehrt. Und wenn sie langsamer wird oder stecken bleibt und die Geschwindigkeit unter die Schwelle fällt, werden beide Cerci stimuliert, um die Kakerlake zu beschleunigen.
Neben dem Navigationsalgorithmus entwickelten die Autoren auch einen Human Detection Algorithmus. Es funktioniert in zwei Stufen. Zum einen stellt es fest, dass sich im Sichtfeld der Kamera grundsätzlich ein potenziell interessierendes Objekt befindet. Damit der Algorithmus funktioniert, ist es notwendig, dass der Frame mehr als 15 Pixel mit einer Temperatur von 28 bis 38 Grad Celsius enthält. Der Frame wird dann unter Verwendung einer Support-Vektor-Maschine analysiert, die auf Infrarotbildern von Menschen trainiert wurde.
Die Entwickler demonstrierten die Arbeit eines Cyborgs, indem sie eine Such- und Rettungsaktion simulierten. Die Kakerlake wurde mit hohen und niedrigen Hindernissen und mehreren interessanten Punkten für Retter, darunter auch Menschen, auf den Boden geschleudert. Als Ergebnis ging die Kakerlake um alle Punkte herum und stellte erfolgreich fest, welche von ihnen Menschen waren und nicht andere warme Gegenstände wie ein Mikrowellenherd. Die Autoren haben ein Video der Tests in Dropbox hochgeladen.
Simulierter Such- und Rettungsbereich
Im vergangenen Jahr haben Ingenieure eine tragbare Kamera für Käfer entwickelt. Es kann sich horizontal drehen, Videos mit einer Geschwindigkeit von fünf Bildern pro Sekunde und einer Auflösung von 160 x 120 Pixel aufnehmen und in Echtzeit an ein Smartphone übertragen.
