Antriebe der Zukunft Neue Horizonte mit innovativen Antriebssystemen erkunden

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maxon ist ein spezialisierter Schweizer Hersteller von elektrischen Antriebssystemen mit globaler Präsenz. Ein Kernmarkt für Aktuatoren ist die Robotik, die sich in einem rasanten Wandel und Wachstum befindet. In diesem Artikel zeichnet der Autor ein Bild davon, wie ein Antriebssystem der nächsten Generation für Roboter aussehen könnte. Wir können die Zukunft zwar nicht vorhersagen, aber wir können einige Trends extrapolieren, um eine Vision zu entwickeln.

Stellen Sie sich vor, dass autonome Roboter sehr bald nahezu alle Aspekte der Gesellschaft durchdringen werden. Autonome Autos und Lieferroboter auf Gehwegen sind erst der Anfang. Ihre Briefe und Pakete werden von Schwärmen von Robotern zugestellt und abgeholt. Arbeiter mit Exoskeletten werden zusammen mit vierbeinigen Gefährten Infrastruktur bauen. Ein Roboter wird fröhlich Ihr Hotelzimmer reinigen (einschliesslich der Toilette!). Es wird Roboter in der Kinderbetreuung geben, die Kinder im Sandkasten unterhalten (und ihre Windeln wechseln). Äpfel werden autonom gepflückt. Sie verstehen das Bild. Ich glaube, dass diese Welt schneller Realität werden wird, als wir derzeit erwarten.

Die Bedeutung der Antriebssysteme

Ein Kernelement jedes Roboters sind seine Aktuatoren, die als Teil des Antriebssystems kontrolliert Drehmomente anwenden, um Bewegung zu erzeugen. Robotische Antriebe müssen ein hohes Drehmoment auf kleinem Raum bieten, tief integriert, zuverlässig und gut in der Produktion skalierbar sein. Lassen Sie uns einige Aspekte der Antriebssysteme der nächsten Generation hervorheben, die die laufende robotische Transformation erleichtern werden.

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Sicherheit als zentrale Voraussetzung

Sicherheit wird essenziell sein. Millionen autonomer Roboter werden in gemeinsamen Räumen mit (verletzlichen) Menschen operieren. Das bedeutet, dass ihre Antriebe von Natur aus sicherheitsrelevante Funktionen bieten müssen. Safe-Torque-Off, bei dem Aktuatoren sicher deaktiviert werden, ist nur der Anfang und ein erster, grundlegender Ansatz. Irgendwann wird eine sichere Bereitstellung von Drehmoment und Bewegung erforderlich sein, was eine völlig neue Dimension der Komplexität darstellt. Derzeit befinden sich die Technologien hinter solchen Fähigkeiten noch in den frühen Entwicklungsstadien.

Tiefere Integration von Teilsystemen

Antriebe werden eine immer tiefere Integration von Teilsystemen erfordern, um alle notwendigen Funktionen auf begrenztem Raum bereitzustellen. «Industrielles Lego» wird nicht mehr möglich sein. Systemgrenzen werden unschärfer und voneinander abhängig. Aktuatoren werden zu strukturellen Elementen, und niemand wird sich mehr mit Kabeln auseinandersetzen wollen (oder können); Kommunikation und Energieübertragung müssen kombiniert werden. Dieser Integrationstrend wird durch neue Materialien und Produktionsmethoden ermöglicht (wie immer). Ein Aspekt, der bereits heute eine tiefere Integration beschleunigt, sind fortschrittliche Systemsimulationen. Solche Werkzeuge ermöglichen eine tiefgreifende Systemoptimierung und -validierung. Wir wollen sicherstellen, dass ein Robotiker einen Roboter bauen kann, der einfach funktioniert, weil alle Sensoren, Aktuatoren und Steuerungssysteme vorher ausreichend simuliert wurden. Die Schaffung neuer Roboter wird wirklich einfach.

Die nächste Paradigmenänderung: Rechenleistung

Ein offensichtlicher Ermöglicher ist maschinelles Lernen. Fortgeschrittene Modelle oder Algorithmen werden direkt auf den Aktuatoren ausgeführt und werden traditionelle, schleifenbasierte und kaskadierte Steuerungstopologien aufgrund ihrer Fähigkeit, mit komplexeren und vielfältigeren Daten umzugehen, ablösen. Dies könnte auch bedeuten, dass Aktuatoren viel mehr Sensoren wie IMUs oder Mikrofone integrieren, um vorausschauende Wartung oder ausfallsicheres Verhalten auf Gelenkebene zu ermöglichen. Solche Sensoren werden auch adaptives Lernen erleichtern, bei dem Systeme autonom auf sich ändernde Bedingungen wie Verschleiss oder Defekte reagieren, nicht durch vorprogrammierte Verhaltensweisen, sondern durch ein intrinsisches Wissen über ihre Architektur, Schnittstelle und Zweck.

Zentrale und verteilte Rechenleistung

Ein weiterer Aspekt der Rechenleistung ist ihre räumliche Verteilung. Ich denke, dass das Rechensystem eines Roboters zentralisiert wird und alle Sensordaten an einem einzigen Ort verarbeitet. Eine kontrastierende Ansicht schlägt vor, dass die Rechenkapazität stärker über den Roboter verteilt wird – einschliesslich der Aktuatoren. Die Zeit wird zeigen, welcher Ansatz dominieren wird (falls überhaupt). Dennoch werden alle von den Antriebssystemen erzeugten Daten gesammelt und entweder lokal direkt für die Steuerung oder zur vorbeugenden Wartung einzelner Roboter oder ganzer Flotten verwendet. Zukünftige (drahtlose) Konnektivitätsfortschritte werden die Übertragung grosser Datenmengen ermöglichen – und potenziell sogar die Echtzeitsteuerung von Robotern aus der «Cloud».

Lebenszyklusüberlegungen und Nachhaltigkeit

Ein weiterer aufkommender Aspekt komplexer Antriebssysteme sind Lebenszyklusüberlegungen. Aktuatoren müssen nicht nur nachhaltig produziert werden, sondern mit minimalem oder keinem Wartungsaufwand bei hoher Effizienz betrieben werden. Flotten von Millionen Robotern, von denen viele batteriebetrieben sind, müssen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen und nur minimalen Wartungsaufwand erfordern, um ihre Akzeptanz weiter zu steigern und die Gesamtbetriebskosten zu senken. Dies hat interessante Implikationen für das Geschäftsmodell von Antriebssystemanbietern, über die ich aus Gründen der Kürze empfehle, eine Diskussion mit Ihrem bevorzugten grossen Sprachmodell zu führen.

Humanoide Roboter: Ein heisser Trend

Humanoide Roboter sind heutzutage ein besonders heisser Trend. Das Feld hat in den letzten 2-3 Jahren mit neuen Systemen verschiedener Hersteller und Forschungseinrichtungen einen Boom erlebt. Für mich ist ein Humanoid einfach ein bestimmter Ausdruck eines autonomen mobilen Roboters, der Manipulation oder Interaktion durchführen kann. Die Komplexität liegt nicht in der Form des Roboters, sondern in der ganzheitlichen Beherrschung der Komplexität eines solchen Systems. Solche Roboter, ob in humanoider Form, als Vierbeiner (oder jede andere Form, z. B. auf einer Kugel balancierend), verwenden hochmoderne Sensoren, fortschrittliche Steuerungsmethoden und komplexe Hardware, einschliesslich der scheinbar «einfachen» Aktuatoren, die die banale Aufgabe des «Drehens» ausführen (in Wirklichkeit sind diese Systeme komplexe Ermöglicher und eng mit der Software und dem Steuersystem des Roboters integriert). Die Zuverlässigkeit und Funktionalität solch autonomer Roboter sind noch weitgehend unbewiesen, und Themen wie mobile Manipulation sind noch ungelöste Forschungsherausforderungen. Erste kommerzielle Einsätze tauchen langsam auf, z. B. in Logistikanwendungen und stark kontrollierten Umgebungen. Es wird einige Zeit dauern, bis solche Systeme – ob humanoid, Zentaur- oder vierbeiniger Form – in wirklich unstrukturierten Umgebungen (z. B. bei der Zustellung unserer Post) weit verbreitet eingesetzt werden. Sicher ist, dass die Aktuatoren und Hardware heute auf eine minimale Komplexität reduziert werden müssen, um niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit zu erreichen. Andernfalls wird das massive Wachstum und der wirtschaftlich sinnvolle Einsatz nicht funktionieren.

Enchanted Tools mischt mit den Mirokaï die Robotik auf

Ich glaube fest daran, dass wir uns in den frühen Phasen einer breiteren robotischen Revolution befinden. Antriebssysteme der nächsten Generation werden diese tiefgreifende gesellschaftliche Transformation immer mehr ermöglichen, und ich hoffe aufrichtig, dass wir bei maxon aktiv an dieser spannenden Reise für die Menschheit teilnehmen können.

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