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Projekt
SpaceAnts: Algorithmic Foundations for Constructing and Reconfiguring LargeScale Structures with Simple Robots
Antragsteller
Professor Dr. Sándor Fekete; Professor Dr. Christian Scheffer
Fachliche Zuordnung
Theoretische Informatik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530918134
Bau und Änderung von Strukturen aus vielen Einzelelementen sind wichtige und natürliche Ziele in einer Vielzahl von Anwendungen. Oft verspricht der Einsatz von autonomen Robotern erhebliche Vorteile, ist aber auch mit zusätzlichen Komplikationen verbunden. Dies gilt für ein breites Spektrum von Szenarien, insbesondere für sehr große und sehr kleine Dimensionen, die für direkte menschliche Manipulation nur schwer zugänglich sind, z. B. im extraterrestrischen Raum oder in mikroskopischen Umgebungen. In den letzten Jahren wurden enorme Fortschritte erzielt, die einen umfassenden Durchbruch ermöglichen: Erstens ermöglichen ultraleichte und skalierbare Verbundmaterialien den Bau modularer, rekonfigurierbarer, gitterbasierter Strukturen; ihre zellulare Struktur löst auch Fragen der Genauigkeit und Fehlerkorrektur, was die Konzentration auf die zugrunde liegenden diskreten, kombinatorischen Strukturen erlaubt. Zweitens ermöglicht die Entwicklung einfacher autonomer Roboter die parallele Durchführung komplexer Aufgaben im Schwarm, sowohl auf mikroskopischer als auch auf makroskopischer Ebene. In diesem Projekt befassen wir uns mit dem nächsten Schritt: Wie können wir ein Kollektiv von Robotern in die Lage versetzen, ein Spektrum von Aufgaben zu bewältigen, die auf zellulären Strukturen beruhen, wie z. B. Bau, Wartung und Rekonfiguration? Die Skalierbarkeit hängt von der Koordination vieler einfacher Roboter ab, wobei algorithmische Mechanismen mit Optimierungsmethoden kombiniert werden, die geometrischer Aspekte berücksichtigen. In diesem Projekt wollen wir die Grundlagen für die Bewältigung dieser Herausforderungen schaffen, ohne auf Roboter mit besonderen Einzelfähigkeiten angewiesen zu sein. Stattdessen werden wir algorithmische Methoden zur Koordinierung großer Schwärme autonomer Roboter mit begrenzten individuellen Fähigkeiten entwickeln, die gemeinsam in der Lage sind, große Strukturen zu bauen, zu warten und umzugestalten. Diese Strukturen können aus ultraleichten, modularen, gitterbasierten Komponenten bestehen, die von (möglicherweise mikroskopisch kleinen) Robotern selbst oder mit Hilfe von Mikrofabriken gebaut werden können. Besonderes Augenmerk wird auf die Kombination von verteilten und zentralisierten Methoden gelegt: Eine zentrale Kontrolle über alle Detailaspekte der Konstruktion und Rekonfiguration ist weder möglich noch notwendig, so dass die Entwicklung verteilter Mechanismen für das Gesamtfunktionieren der entstehenden Systeme von entscheidender Bedeutung ist; zugleich ist es unnötig und unerwünscht, vollständig auf alle Merkmale einer globalen Kontrolle zu verzichten. Während unser eigenes Ziel darin besteht, algorithmische Methoden für diese Herausforderungen zu entwickeln, mit Schwerpunkt in theoretischen Grundlagen, werden Kontext und reale Umsetzung durch eine enge Zusammenarbeit mit einer Reihe von preisgekrönten internationalen Kollegen bereitgestellt, die über Fachwissen in einem Spektrum von relevanten Bereichen verfügen.
DFG-Verfahren
Sachbeihilfen
Internationaler Bezug
USA
