Das Team CoSTAR der NASA JPL

Die DARPA Subterranean Challenge zielt darauf ab, die Eigenständigkeit von Robotersystemen zu verbessern, um unterirdische Umgebungen schnell zu erkunden – sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. Damit soll die aktuelle Forschung für Militär, Industrie und staatliche Institutionen beschleunigt werden. Um am Wettbewerb teilzunehmen, müssen die Teams vollständig autonome Systeme zur Erkundung unterirdischer Hohlräume entwickeln. Im Zentrum stehen dabei die Erforschung des Planeten sowie Anwendungen auf der Erde, wie z. B. die Suche und die Rettung in Schächten, Höhlen und nach Naturkatastrophen.

Das Team CoSTAR ist eine Zusammenarbeit zwischen dem NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), dem California Institute of Technology (Caltech), dem Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und der schwedischen Luleå University of Technology (LTR). Mit einem Team von 60 Ingenieuren aus der ganzen Welt ist CoSTAR eines von zehn Teams, die an der dreijährigen, vierteiligen Subterranean Challenge der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) teilnehmen. Es müssen drei Rundkurse absolviert werden – der Tunnel-Rundkurs, der Stadt-Rundkurs und der Höhlen-Rundkurs – gefolgt vom Finale, das alle drei Umgebungen umfasst. Das Team, das hier erfolgreich ist, erhält 2 Millionen US-Dollar, die zur Finanzierung künftiger Forschungsprojekte verwendet werden könnten.

Das Team CoSTAR hat den zweiten Platz im "Tunnel Circuit" und den ersten Platz im "Urban Circuit" belegt und bereitet sich während der Erstellung dieses Artikels auf den "Cave Circuit" und das große Finale vor.

Das Terrain der einzelnen Strecken ist sehr unterschiedlich. Einige Herausforderungen befinden sich in unwegsamem Gelände, andere warten mit schlechten Lichtverhältnissen auf oder überraschen sogar mit Treppen. Die autonomen Roboter müssen in der Lage sein, unter schlechten Bedingungen zu navigieren, was bei Tests oft dazu führt, dass sie herunterfallen und kritische Teile brechen. Das Team CoSTAR musste nicht nur im Voraus mit einem stoßfesten, leichtgewichtigen autonomen System vorbereitet sein, sondern es musste auch eine schnelle Wartung vor Ort für defekte Teile durchführen und zwischen den Läufen schnell Konstruktionen iterieren, um der Konkurrenz voraus zu sein. Wenn ein Teil im Feld ausfallen würde, könnte dies dazu führen, dass CoSTAR den Stromkreis nicht schließen kann. Das Team stößt häufig in unbekannte Bereiche vor und braucht daher die nötigen Werkzeuge, um schnell reagieren zu können.

Das Team arbeitet mit Boston Dynamics zusammen und hat mehrere Spot-Roboter für den Wettbewerb ausgeliehen. Die Ingenieure und Designer von CoSTAR mussten in kürzester Zeit zusätzliche Komponenten wie Halterungen und Gehäuse entwerfen und herstellen, um sicherzustellen, dass der Spot den Stromkreis erfolgreich schließen konnte. Früher wurden die Teile aus Holz hergestellt, zerspant oder mit dem Laser geschnitten. Sie wussten, dass sie eine weitere Option brauchten, um den anderen Teams einen Schritt voraus zu sein. Der 3D-Druck war die perfekte Lösung, um die Teile direkt vor Ort schnell reparieren oder verbessern zu können. Um diesen Bedarf zu decken, brachte das Team einen einfachen PLA-3D-Drucker ins Spiel. Allerdings konnten damit nur Teile für das Prototyping gedruckt – und nicht für die endgültige Anwendung. Letztendlich waren die Teile nicht stabil genug, um von einem Roboter verwendet zu werden, der sich in unsicheres Gelände begibt und bei dem die Möglichkeit besteht, dass kritische Komponenten beschädigt werden. Ein entscheidendes Beispiel ist der kostspielige Lidar-Sensor auf der Oberseite des Roboters, der um jeden Preis geschützt werden muss. Das zum Schutz verwendete Material muss eine hohe Steifigkeit und schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzen, damit das Signal des Sensors gültige, verwertbare Daten liefert. Das Team stellte außerdem fest, dass ihr PLA-3D-Drucker ungenaue Teile mit schlechter Oberflächengüte produzierte, sodass sie viel zu viel Zeit damit verbrachten, die Teile nach dem Druck abzuschleifen. Was sie brauchten, war ein robustes System, das schnell eingesetzt werden konnte, um Prototypen herzustellen und nach den Tests die Produktionsteile zu drucken – ohne zeitraubenden Aufwand für die Nachbearbeitung.

Glücklicherweise hatte das Team Zugang zu einem Markforged 3D-Drucker. Da mehrere Mitglieder des CoSTAR-Teams für das JPL arbeiten, war das Team bereits mit dem Wissen ausgestattet, dass Markforged 3D-Drucker und die leistungsstarke, mit der Cloud verbundene Eiger-Software leichte, stabile und funktionale Teile ohne geometrische Einschränkungen herstellen können. Das Team erkannte, dass Markforged eine robuste Wahl war, um alle ihre Anforderungen zu erfüllen. Für das Team stellte sich heraus, dass die mit der MarkforgedPlattform gedruckten Halterungen und Befestigungen ihre Pendants aus Aluminium nicht nur übertrafen, sondern auch viel leichter waren. Darüber hinaus konnten die Teile, die das Team mit seinem Markforged-3D-Drucker hergestellt hatte, geklopft und wiederverwendet werden, ohne dass es zu Ausfällen kam. Mit Hilfe eines der zahlreichen Markforged 3D-Drucker konnte ein Gehäuse für den 7.000 USD teuren Lidar-Sensor aus durchgehend kohlefaserverstärktem Material hergestellt werden. Während das Teil einige Schläge einstecken musste, hat der Lidar-Sensor keinen Schaden genommen.

Während des Wettbewerbs erhöhte das Team mit Hilfe des Markforged-Partners GovSmart die Anzahl seiner Markforged-Drucker von einem auf drei. Markforged sponserte das Team dann im Jahr 2020 und stellte einen vierten Drucker zur Verfügung. CoSTAR brachte die Drucker zu den ersten beiden Challenges mit. Auf den Hotelzimmern wurden dann über Nacht Teile für den Einsatz am nächsten Tag produziert. Das Vertrauen in ihre 3D-Drucker war für das Team extrem wichtig. Denn oft wurden in langen Nächten Teile entworfen, die dann am nächsten Morgen getestet und integriert werden sollten. Glücklicherweise lieferten ihre Mark Two 3D-Drucker nur Qualitätsprodukte.

Die Robustheit der Drucker, die Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit sowie die Tatsache, dass der Digital Forge gute, funktionale Teile erzeugt, die keine Nachbearbeitung benötigen, machen Markforged zu einer idealen additiven Fertigungstechnologie.

Die DARPA Subterranean Challenge mag für manche nur ein Wettbewerb sein, aber für CoSTAR ist sie weit mehr als das. Für sie ist der Wettbewerb der Start einer Reise, die den Untergrund des Mondes, des Mars und sogar einiger der Monde von Saturn und Jupiter erkunden will. Durch den Aufbau der Roboterfähigkeiten für den Wettbewerb hofft das Team, zukünftige NASA JPL-Missionen zur Erforschung unterirdischer Umgebungen möglich zu machen. Damit soll die Entwicklung von Leben weiter erforscht werden – gleich, ob es bereits Leben auf einem anderen Planeten gab und ob es in Zukunft die Möglichkeit für die Besiedlung durch den Menschen gibt. Und die additive Fertigung zeigt, dass neue Technologien sie dorthin bringen können.

Markforged ist stolz darauf, Lieferant und Sponsor des Team CoSTAR zu sein.