Wie Echte Transformatoren Funktionieren

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Transformatoren gibt es im wirklichen leben, aber sie ähneln den robotern aus dem film nicht ganz. Erfahren sie mehr über echte transformatoren und wie diese roboter verwendet werden.

Ohne Zweifel sind die WordsSideKick.com-Mitarbeiter besorgt über den kommenden "Transformers" -Film. Wir fragen uns nicht nur, ob es gut wird. Wir fragen uns, ob wir Roboter mit Transformers-Fähigkeiten zu unseren Lebzeiten sehen werden. Während Transformatoren im großen Maßstab ein wenig unplausibel erscheinen - und nicht praktikabel -, stellt sich heraus, dass einige vorhandene Roboter viel mit Transformern gemein haben. In diesem Artikel erfahren Sie, wie diese transformierenden Roboter aussehen, wie sie funktionieren und wie sie Transformern wie Optimus Prime ähneln.

Wir beginnen mit einer Analyse von Prime selbst. Er ist enorm und beeindruckend, aber könnte er jemals wirklich sein? Um dies herauszufinden, haben wir den Ingenieur Michael D. Belote gefragt, was es braucht, um einen Traktor-Anhänger in Originalgröße zu bauen, der in einen zweibeinigen Roboter umgewandelt werden kann. Mit anderen Worten, was würde es brauchen, um eine lebensgroße Version von Optimus Prime zu erstellen?

Erstens muss Prime ein sein selbstrekonfigurierender Roboter. Einige selbstrekonfigurierende Roboter oder Roboter, die ihre Form ändern können, um verschiedene Aufgaben zu erledigen, gibt es heute. Sie unterscheiden sich jedoch stark von Optimus Prime. Wie Belote erklärt:

Mit selbstrekonfigurierbaren Robotern zieht es der Ingenieur vor, die einzelnen mobilen Module klein, einfach, kostengünstig und austauschbar zu halten. Im Falle von Optimus Prime handelt es sich jedoch um einen Roboter, dessen Einzelmodule so groß sind wie die Kabine eines Sattelzuges. Selbst wenn der Bau solcher Module möglich wäre, wären die Kosten übertrieben und die außerordentliche Komplexität würde es nahezu unmöglich machen, alle Systeme ordnungsgemäß zusammenzubringen.

Wenn Ingenieure herausgefunden haben, wie man austauschbare Module in der Skala von Optimus Prime herstellen kann, kann es immer noch unmöglich sein, sie zu bewegen. In seiner Fahrzeugform kann Optimus Prime mit normalem Dieselkraftstoff betrieben werden. Das Gehen ist jedoch weitaus weniger effizient als das Rollen auf Rädern. Um laufen zu können, brauchte Prime viel mehr Kraft als ein Dieselmotor. Hier eine Analyse von Belote, wie mit den Leistungsanforderungen von Prime umzugehen ist:

Herkömmliche Roboter basieren auf einer der drei Stromquellen - elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch. Aufgrund der extremen Gewichte ist die hydraulische Kraft die wahrscheinlichste Quelle für Prime, da hydraulische Stellantriebe sehr hohe Kraft-Gewichts-Verhältnisse bieten (große Leistungsabgabe für kleine Leistungsaufnahme).

Die hydraulische Kraft könnte also das Gehen von Prime ermöglichen, aber das hydraulische System selbst würde zu unterschiedlichen Problemen führen. "Ein Tank oder ein Reservoir muss hinzugefügt werden, um die Hydraulikflüssigkeit aufzunehmen", sagt Belote. "Hydraulikpumpen sind erforderlich; zum Betreiben der Pumpe muss eine sekundäre Energiequelle verwendet werden; Ventile sind erforderlich, um die entsprechenden Drücke und Durchflussraten zu erreichen." Außerdem müsste ein hydraulisch angetriebener Prime mit Rohrleitungen ausgekleidet werden, um die Hydraulikflüssigkeit zu befördern. Diese Rohre müssen zusammen mit den Kraftstoffleitungen und elektrischen Leitungen von Prime während der Umwandlung unbeschädigt oder sogar unberührt bleiben.

Nachdem Prime die Umwandlung in Roboterform überlebt hatte, musste er als Zweibeiner gehen. Belote beschreibt, worauf es ankommt: Da traditionelle Halbzeuge häufig 30 Tonnen wiegen, kann das Endgewicht von Prime leicht im Bereich von 35 bis 40 Tonnen liegen. Vergleichen Sie dies mit dem weltbesten "Walking" -Roboter, dem ASIMO-Roboter von Honda, der ein Gesamtgewicht von 119 Pfund hat und dennoch nur etwa 40 Minuten laufen kann (elektrisch angetrieben) und mit einer Höchstgeschwindigkeit von weniger als 2 km / h. Das Gewichtsverhältnis für ASIMO beträgt 2,3 Pfund pro Zoll, verglichen mit dem Gewichtsverhältnis von Prime, das wahrscheinlich 75 bis 80 Pfund pro Zoll übersteigen würde - eine Verzehnfachung.

Außerdem können Roboter die Gehbewegung nicht so leicht nachahmen. "Mit einem Roboter", erklärt Belote, "gibt es einen direkten Befehl (Bein x-Betrag anheben, y-Betrag nach vorne lehnen, Bein-z-Betrag nach unten strecken usw.). Bei Menschen gibt es jedoch einen Kein "Feedback" -Mechanismus - Ihr Gehirn kommuniziert nicht ständig mit Ihren Beinen, wo sie platziert werden soll. Stattdessen lehnen Sie sich einfach nach vorne und "fallen" und setzen Ihr Bein so, dass der Schock absorbiert wird, wenn Ihr Fuß den Boden berührt. "

Es ist also nicht wahrscheinlich, dass wir in unseren Lebzeiten einen funktionierenden Optimus Prime oder einen Roboter wie ihn sehen könnten. Es gibt aber bereits Roboter, die ihre Form verändern oder in eine beliebige Form bringen können. Im nächsten Abschnitt werden wir uns einige davon ansehen - und wie sie sich mit Prime vergleichen.

Selbstkonfigurierende Roboter

Optimus Prime kann sowohl ein zweibeiniger Roboter als auch ein Sattelschlepper sein.

Optimus Prime kann sowohl ein zweibeiniger Roboter als auch ein Sattelschlepper sein.

Das Coolste an Transformers ist natürlich, dass sie zwei völlig unterschiedliche Formen annehmen können. Die meisten können Zweibeineroboter oder Arbeitsfahrzeuge sein. Einige können sich stattdessen in Waffen oder elektronische Geräte verwandeln. Die zwei Formen eines Transformer haben sehr unterschiedliche Stärken und Fähigkeiten.

Dies unterscheidet sich grundlegend von den meisten echten Robotern, die normalerweise nur eine Aufgabe oder einige verwandte Aufgaben ausführen können. Die Mars Exploration Rovers können zum Beispiel Folgendes tun:

  • Mit Solarzellen Strom erzeugen und in Batterien lagern
  • Fahren Sie quer durch die Landschaft
  • Fotos machen
  • In Felsen bohren
  • Verwenden Sie Spektrometer zur Aufzeichnung von Temperaturen, chemischen Zusammensetzungen, Röntgenstrahlen und Alphateilchen
  • Senden Sie die aufgezeichneten Daten mit Funkwellen zurück an die Erde

Wie echte Transformatoren funktionieren: echte

Wiedergabe eines Mars-Explorationsrovers auf der Marsoberfläche durch einen Künstler

Ein Explorations-Rover wäre nicht sehr gut für Aufgaben, die nicht in diese Kategorien passen. Es kann zum Beispiel keine Brücke zusammenbauen, in sehr kleine Räume passen oder andere Roboter bauen.Mit anderen Worten, es würde zu einem miesen Such- und Rettungsroboter werden, und es würde überhaupt nicht in eine automatisierte Fabrik passen.

Wie echte Transformatoren funktionieren: transformatoren

Der Snakebot der NASA ist ein Beispiel für einen Kettenroboter.

Wie echte Transformatoren funktionieren: roboter

Ein Telecube G2-Modul

Deshalb entwickeln Ingenieure Roboter neu konfigurieren. Wie Transformatoren können auch diese Roboter ihre Form ändern, um sich der jeweiligen Aufgabe anzupassen. Anstatt jedoch von einer Form zu einer anderen zu wechseln, wie bei einem zweibeinigen Roboter zu einem Sattelzug, kann die Rekonfiguration von Robotern viele Formen annehmen. Sie sind viel kleiner als echte Transformers; einige rekonfigurierende Roboter Module sind klein genug, um in die Hand einer Person zu passen.

Ein Modul ist im Wesentlichen ein kleiner, relativ einfacher Roboter oder ein Roboterstück. Modulare Roboter bestehen aus vielen dieser kleinen, identischen Module. Ein modularer Roboter kann aus wenigen oder mehreren Modulen bestehen, abhängig von der Konstruktion des Roboters und der zu erledigenden Aufgabe. Einige modulare Roboter existieren derzeit nur als Computersimulationen. andere befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Sie arbeiten jedoch alle nach dem gleichen Prinzip - viele kleine Roboter können sich zu einem großen Roboter zusammenschließen.

Module können nicht viel aus sich heraus tun. Ein Rekonfigurierungssystem muss auch Folgendes haben:

  • Verbindungen zwischen den Modulen
  • Systeme, die bestimmen, wie sich die Module zueinander bewegen

Die meisten modularen, rekonfigurierenden Roboter passen in eine von drei Kategorien: Kette, Gitter und modulare Konfiguration. Kettenroboter sind lange Ketten, die an bestimmten Punkten miteinander verbunden werden können. Je nach Anzahl der Ketten und wo sie miteinander verbunden sind, können diese Roboter Schlangen oder Spinnen ähneln. Sie können auch zu rollenden Schleifen oder zweibeinigen, wandelnden Robotern werden. Ein Satz modularer Ketten könnte einen Hindernisparcours durchqueren, indem er als Schlange durch einen Tunnel kriecht, als Spinne felsiges Gelände überquert und als Zweibeiner mit einem Dreirad über eine Brücke fährt.

Beispiele für Kettenroboter sind Polybot und Polypod des Palo Alto Research Center (PARC) sowie Snakebot der NASA. Die meisten benötigen einen menschlichen oder theoretisch einen anderen Roboter, um die Verbindungen manuell mit Schrauben zu sichern.

Simulierte Roboter

Computersimulationen sind ein wesentlicher Bestandteil der Robotikforschung, insbesondere bei der Rekonfiguration von Robotern. Wissenschaftler verwenden Computer, um herauszufinden, wie sich Module in Relation zueinander bewegen, bevor sie den Modulen beibringen, wie dies geschieht. In manchen Fällen gibt es Computersimulationen schon lange vor den eigentlichen Robotern. Das Rus Robotics Laboratory des Massachusetts Institute of Technology (MIT) bietet zahlreiche Simulationen, wie sich diese Roboter bewegen.

Gitterroboter

Die Molekülmodule von Rus Robotics Laboratory verfügen über zwei Würfel, die in einem Winkel von 90 Grad miteinander verbunden sind. Eine Oberfläche jedes Würfels beherbergt die Verbindung, die ihn mit der anderen Hälfte des Moduls verbindet. Die anderen fünf Flächen können mit anderen Modulen verbunden werden.

Die Molekülmodule von Rus Robotics Laboratory verfügen über zwei Würfel, die in einem Winkel von 90 Grad miteinander verbunden sind. Eine Oberfläche jedes Würfels beherbergt die Verbindung, die ihn mit der anderen Hälfte des Moduls verbindet. Die anderen fünf Flächen können mit anderen Modulen verbunden werden.

Die Grundidee von a Gitterroboter ist, dass Schwärme von kleinen, identischen Modulen, die sich zu einem größeren Roboter kombinieren können. Es gibt bereits mehrere Prototyp-Gitterroboter, einige Modelle existieren jedoch nur als Computersimulationen. Gitterroboter bewegen sich, indem sie übereinander kriechen und sich an Verbindungspunkten benachbarter Roboter befestigen und von diesen lösen. Es ist wie die Art und Weise, wie sich die Fliesen in einem verschiebbaren Kachelpuzzle bewegen. Diese Bewegungsart wird genannt Substratumkonfiguration - Die Roboter können sich nur entlang Punkten innerhalb des Gitters von Robotern bewegen. Gittermodule können entweder über eigenständige Stromquellen verfügen oder Stromquellen über ihre Verbindungen zu anderen Modulen gemeinsam nutzen.

Gitterroboter können sich durch schwieriges Gelände bewegen, indem sie übereinander klettern, der Form des Geländes folgen, oder sie können eine feste, stabile Oberfläche bilden, um andere Strukturen zu tragen. Ausreichend Gitterroboter können nahezu jede Form erzeugen. Computersimulationen zeigen, wie sie von einem Haufen Teile zu einer Teetasse und von einem Hund zu einer Couch wechseln. Die Module können kombiniert werden, um flache Oberflächen, Leitern, bewegliche Anhänge und praktisch jede andere vorstellbare Form herzustellen. Ein Gitterroboter ähnelt also eher einem Terminator T-1000 als einem Transformer.

Robotiklabore haben mehrere Gitter-Robotersysteme entwickelt und theoretisiert:

  • PARC's Telecube und das Crystal Institute des Massachusetts Institute of Technology (MIT) Rus Robotics Laboratory verwendet Moleküle, die sich ausdehnen, zusammenziehen und an andere Moleküle anhaften.
  • PARC's Proteo ist ein theoretischer Gitterroboter, der nur als Computersimulation existiert. Proteo ist eine Sammlung von rhombische Dodekaeder (zweiseitige Strukturen mit rautenförmigen Gesichtern). Seine Module bewegen sich, indem sie über die Kanten der anderen rollen.
  • Rus Robotics Laboratory Moleküls Module bestehen aus zwei Würfeln, die in einem Winkel von 90 Grad miteinander verbunden sind. Infolgedessen sieht seine Bewegung ein wenig anders aus als Roboter, die aus einzelnen Würfeln bestehen. Auf der Website von Rus Robotics Laboratory sehen Sie eine Demonstration, wie sich Molecule bewegt

Wie echte Transformatoren funktionieren: echte

Swarm-Bots können unabhängig voneinander manövrieren oder Aufgaben ausführen, die sie nicht alleine ausführen könnten.

Wie Gitterroboter mobile Rekonfigurationsroboter sind kleine, identische Module, die sich zu größeren Robotern kombinieren lassen. Sie brauchen jedoch nicht die Hilfe ihrer Nachbarn, um von Ort zu Ort zu gelangen - sie können sich alleine bewegen. Mobile Konfigurationsroboter ähneln Zeichentrickfiguren von Fischschwärmen oder Vogelschwärmen, die sich zu einem Werkzeug oder einer Struktur zusammenfügen. Sie bewegen sich unabhängig voneinander, bis sie zusammenkommen müssen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Schwarm-Bots, ein Projekt des Programms "Future and Emerging Technologies" in der Europäischen Union, sind mobile Rekonfigurationsroboter.

Obwohl diese Roboter sehr unterschiedlich aussehen, weisen sie viele Ähnlichkeiten in Bezug auf ihre Bewegung und Arbeitsweise auf. Wir werden uns das als nächstes ansehen.

Ein wirklich echter Transformator

Transformatoren sind nicht unbedingt praktisch oder im großen Maßstab überhaupt nicht möglich.Die Ingenieure von Himeji Soft Works haben jedoch einen kleinen Roboter entwickelt, der sich wirklich vom Auto zum Zweibeiner und zurück entwickelt. Sie können ein Video dieses Roboters einschließlich seiner Transformation auf YouTube sehen.

Ein Schwarm paralleler Gehirne

Transformatoren sind selbstbewusst und können selbst Entscheidungen treffen, ihre beweglichen Teile sind jedoch nicht autonom.

Transformatoren sind selbstbewusst und können selbst Entscheidungen treffen, ihre beweglichen Teile sind jedoch nicht autonom.

Neben der Größe und dem modularen Aufbau unterscheiden sich selbstkonfigurierende Roboter in einer Hinsicht von Transformatoren. Optimus Prime und andere Transformatoren sind selbstbewusst und können unabhängige Entscheidungen treffen und halten ihr Gehirn an einem Ort innerhalb ihres Körpers. Das Gehirn eines Transformators kontrolliert jeden seiner beweglichen Teile, und die Teile selbst haben wenig oder gar keine Autonomie.

In den meisten modularen Roboterkonfigurationen verfügt jedes Modul jedoch über Entscheidungsbefugnisse und kann helfen, herauszufinden, wohin es sich bewegen wird. Anstatt dass ein Modul der Chef aller anderen ist, gibt es Planungs- und Bewegungsmöglichkeiten verteilt über alle Module.

Diese Idee - ein Schwarm kleiner Roboter, von denen jeder entscheiden kann, wohin er gehen soll - könnte katastrophal klingen. Die Module werden jedoch mit einem Satz geometriegestützter Regeln zum Verschieben programmiert. Sie sind auch mit Algorithmen programmiert, die ihre Bewegung steuern. Diese Algorithmen und Regeln ermöglichen es den Robotern, herauszufinden, wie sie von einer Form in eine andere wechseln und sich über Gelände bewegen können.

Bei sehr komplexen Manövern planen die Roboter stattdessen eine Reihe von Unterformen, anstatt in einem Schritt eine größere Änderung vorzunehmen. Zum Beispiel könnte ein Gitterroboter, der von einem zufälligen Stapel von Modulen zu einem zweibeinigen Roboter wechseln muss, zuerst die Beine bilden. Diese Beine könnten dann als Gerüst verwendet werden, um die obere Hälfte des Roboters zu bauen.

Wie echte Transformatoren funktionieren: roboter

Derzeit hat jedes modulare Robotersystem seine eigenen Regeln, um zu bestimmen, wie es sich bewegt und neu konfiguriert.

Zu diesem Zeitpunkt können viele dieser Roboter selbst einfache Übergänge von einer Form zur anderen machen. Komplexere Änderungen erfordern möglicherweise die Hilfe eines Wissenschaftlers, wodurch die Sammlung von Robotern halbautonom und nicht autonom wird. Einige Roboter, die sich noch in der Anfangsphase der Entwicklung befinden, erhalten alle Anweisungen von einem Computerarbeitsplatz und treffen keine eigenen Entscheidungen.

Gegenwärtig verfügen die meisten rekonfigurierenden Roboter über ein eigenes System von Regeln und Algorithmen. Regelsätze funktionieren nur für die Roboter, für die sie entwickelt wurden. Mit anderen Worten, die Regeln für das Kristall von Rus Robotics Laboratory funktionieren nicht mit Molecule.

Wissenschaftler verwenden jedoch Computersimulationen, um Bewegungstheorien zu untersuchen, die funktionieren könnten, unabhängig davon, wie ein Robotermodul aussieht. Diese Theorien könnten Grundregeln für die Roboterbewegung festlegen, darunter:

  • Feststellen, wie viele Schritte erforderlich sind, um eine fertige Struktur herzustellen
  • Kollisionen zwischen Modulen verhindern
  • Zulassen, dass die Module eine Struktur erstellen, die konsistent stabil ist und nicht bei Bewegung der Roboter zusammenbricht
  • Sicherstellen, dass Ketten oder Modulkollektionen die erforderlichen Punkte erreichen können

Wenn dies gelingt, könnten Ingenieure durch diese Forschung neue, funktionierende modulare Roboter mit denselben Bewegungsregeln herstellen.

Obwohl diese Roboter nicht wie Transformer laufen und sprechen, können sie sich mit der richtigen Programmierung und Anweisungen in nahezu jede Form bringen. Um mehr über sie und über Transformatoren zu erfahren, lesen Sie die Links auf der nächsten Seite.

Wo behalten Transformatoren ihr Gehirn?

Während der Arbeit an diesem Artikel diskutierten die WordsSideKick.com-Mitarbeiter lebhaft darüber, wo sich die Transformers aufhalten. Wir alle haben die gleiche Antwort vermutet - das Gehirn eines Transformators muss sich in seinem Kopf (oder in seinem Cockpit in Fahrzeugform) befinden. Viele Comic- und Cartoon-Darstellungen scheinen diese Idee zu unterstützen. Es erklärt jedoch nicht vollständig, wie Teile von Optimus Prime separat arbeiten können, es sei denn, Prime verwendet Funk- oder Infrarotsignale zum Senden und Empfangen von Befehlen. Es erklärt auch nicht ganz, warum sich die Persönlichkeiten von Constructicons von ihren Transformers unterscheiden. Weitere Informationen über das Gehirn von Transformers und ihre Funktionsweise finden Sie in The Matrix, einem inoffiziellen Transformers-Magazin.


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