Wie möglich sind die Riesenroboter in 'Pacific Rim'?

Die Roboter in "Pacific Rim", einem Science-Fiction-Film von Guillermo del Toro, der heute (12. Juli) herauskommt, sind in etwa menschenähnlich, aber so hoch wie ein Wolkenkratzer und fähig zu rennen, zu springen, zu kämpfen und durch Wasser zu reisen und obere Erdumlaufbahn.

Das ist ein ziemlich beeindruckendes Resümee.

Aber riesige Kampfroboter zu bauen ist viel komplizierter als es klingt

Lassen Sie uns zunächst über die Skalierung sprechen.

Größer ist nicht unbedingt besser, sagte Andy Ruina, ein Professor für Robotik an der Cornell University, der sich auf Legged Fortbewegung spezialisiert hat.

Je größer etwas ist, ob Tier oder Roboter, desto schwächer wird es proportional zu seinem Körpergewicht. [Siehe auch: Designer von Giant Robot Hope für Nachahmer]

Denn wenn Sie die Größe eines Objekts erhöhen, erhöhen Sie die Länge, Breite und Höhe des Objekts. Daher erhöht sich das Gewicht um eine Potenz von 3 und die benötigte Leistung erhöht sich um eine Potenz von 4.

Sagen Sie zum Beispiel, dass Sie einen Roboter bauen wollten, der zehnmal so groß ist wie ein durchschnittlicher Mensch, während er menschliche Proportionen beibehält. Sie möchten auch, dass dieser Roboter in der Lage ist, eine Höhe zu springen, die der Entfernung zwischen seinen Knien und dem Boden entspricht. Der Abstand zwischen den Knien und dem Boden ist für diesen Roboter auch 10 mal größer als für den Menschen. Sie müssen das 1000-fache des Gewichts 10-mal so weit bewegen, was dem 10.000-fachen des Energiebedarfs entspricht.

Dieses grundlegende Problem gilt sowohl für die Natur als auch für die Mechanik, sagte Ruina. Deshalb wurden selbst Dinosaurier nie größer als Arten wie Amphicoelien, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie 40 bis 60 Meter lang und bis zu 135 Tonnen wogen. "Natürlich gibt es einen Vorteil für Tiere, die größer sind - sie können essen, quetschen, kauen - aber Tiere sind nur so groß. Wenn sie größer werden, haben sie Schwierigkeiten, ihr eigenes Gewicht zu schleppen. Es ist ein wenig kontraintuitiv - denkst du es würde sich ausgleichen, tut es aber nicht. "

Dieses Prinzip bedeutet auch, dass ein riesiger Roboter in menschlicher Form sicherlich stärker ist als ein normaler Mensch in Bezug auf die Masse, die er heben kann, aber in Bezug auf seine eigene Körpermasse ist der riesige Roboter tatsächlich schwächer.

Nichts davon ist zu sagen, dass riesige Roboter unmöglich sind.

"Nehmen wir an, Sie sind sehr gut in der Technik und Sie wissen, wie man Roboter wirklich gut macht - was wir [Menschen] nicht tun- [und] Sie sagen:" Okay, ich möchte immer größere Roboter machen ', [dann] Sie werden bessere Materialien und bessere Energiequellen brauchen. "

[Siehe auch: Star Trek FTL Drive kann tatsächlich funktionieren]

Bessere Materialien

Welche Materialien wären stark und leicht genug, um einen riesigen Roboter herzustellen?

Gewicht ist das kritische Thema. Stahl ist stark, aber zu schwer - seine Stärke ist proportional zu seinem Gewicht viel zu schwach, um einen riesigen, schweren Roboter zu schaffen.

"Beryllium ist die beste Wahl in der Theorie", sagte Jekanthan Thangavelautham, Robotik-Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology. Aber er fügte hinzu, dass die Toxizität des Metalls - es ist ätzend für die menschliche Haut und in Staubform kann tödlich sein, wenn inhaliert - könnte ein Problem darstellen. Titan ist eine weitere Alternative, ebenso wie kohlenstoffverstärkter Kunststoff.

Wie erwähnt, müsste ein riesiger Roboter mit extrem starken, steifen Materialien hergestellt werden, um sein Gewicht zu tragen. Deshalb können riesige Roboter "weder flink noch geschickt sein", sagte Thangavelautham, weil die Materialien, die zu ihrer Herstellung notwendig seien, "diese Systeme verlangsamen würden".

Bessere Energiequellen

Die Art und Weise, wie Gewicht und Stärke in Bezug auf Größe zunehmen, bedeutet auch, dass der Energiebedarf beider Tiere und Roboter exponentiell ansteigt, je größer sie werden.

Herkömmliche Kraftstoffquellen, selbst mit stark verbesserter Effizienz, würden nicht ausreichen, um einen Pacific-Rim-Roboter mehr als ein paar Schritte pro Tanklast zu bewegen.

"In Bezug auf das Ausmaß der Herausforderungen ist es ein großes Problem in einer eigenen Klasse, wie diese Geräte mit geringem Energieaufwand betrieben werden können", sagte Thangavelautham. "Exotische Energiequellen sind sowohl die größte Herausforderung als auch die bahnbrechende Technologie, die diese Art von Material zur Realität werden lässt."

Der Begriff "exotische Energie" bezieht sich auf nichtkonventionelle Energiequellen wie Kernspaltung oder möglicherweise dunkle Materie.

"Portable Spaltungsreaktoren werden verwendet, um Flugzeugträger anzutreiben, aber sie müssten immer noch miniaturisiert und die Leistungsdichte erheblich verbessert werden, um diese Roboter einfach laufen zu lassen", sagte Thangavelautham.

"Die Fähigkeit, große Distanzen zu fliegen oder zu springen, halte ich selbst bei aktuellen Kernspaltungsreaktoren für möglich, und ich muss sagen, das ist Science-Fiction-Fantasie", sagte er.

Fußgängerprobleme

Riesige Roboter stellen riesige technische Herausforderungen dar. Aber es gibt ein noch grundsätzlicheres Problem, das Wissenschaftler noch für Roboter jeder Größe herausfinden müssen.

"Die Dinge, die wir an unserem Bewusstsein am meisten schätzen, sind meistens die einfachsten Dinge, die künstlich nachgeahmt werden", sagte Ruina. "Die Menschen erkennen nicht, dass ihre Wahrnehmungsfähigkeiten auf sehr niedrigem Niveau wunderbar und künstlich nachzuahmen sind."

Menschen haben Roboter zu mathematischen Berechnungen höherer Ordnung befähigt, über den Mars zu fahren und drahtlos über große Entfernungen zu kommunizieren. Aber was ist mit einem Roboter, der laufen kann, ohne umzufallen?

Die Fähigkeit zu laufen ist ein perfektes Beispiel, sagte Ruina. "Es gibt niemanden, der auf die Frage" Wie gehst du? "In wissenschaftlicher Hinsicht eine kohärente Antwort geben kann."

In den letzten Jahren gab es mehrere Roboter, die in der Lage waren, über bestimmte Geländearten zu laufen. Keine von ihnen nähert sich jedoch der Anmut oder Funktionalität ihrer mobilen biologischen Gegenstücke.

Gehen, Laufen und andere Fähigkeiten, über die Menschen und Tiere nicht einmal bewusst nachdenken, gehören zu den am schwierigsten zu replizierenden Robotern. "Das sind fortgeschrittene Fähigkeiten, die alle Tiere haben, die weit unter unserem bewussten Verständnis und weit über unserer Fähigkeit sind, bewusst zu verstehen", sagte Ruina. "Bisher."

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Die Zukunft ist noch nicht da

Keines dieser Probleme ist unüberwindbar. Aber sie würden Jahre des Experimentierens und Millionen von Dollar in Forschungsgeldern benötigen, ganz zu schweigen von einer Handvoll wissenschaftlicher Durchbrüche, um dies zu erreichen.

Die Wahrheit ist, "wir hätten Schwierigkeiten, gerade einen Roboter jeder Größe in Aktion zu bringen", sagte Ruina.

Das können wir natürlich in der "nahen Zukunft" gewähren, in der der Film stattfindet. Wenn jedoch Monster wie die in "Pacific Rim" in der nächsten Woche auftauchen, werden riesige Kampfroboter wahrscheinlich nicht die beste Überlebenschance der Menschheit sein.