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Robotik: Die Humanoiden kommen

"Fördern und Fordern" lautet das Prinzip der US-Behörde DARPA: Bei ihrer Grand Challenge müssen Roboter schier Menschliches leisten. Ist das überhaupt machbar?
Humanoider Roboter

Der Soldat steht auf dem Laufband, eingehüllt in einen Schutzanzug. Das Band kommt in Schwung. Der Soldat läuft mit, wird schneller und schneller. Er bewegt sich ein bisschen ruckartig. Aber man muss länger hinsehen, um zu erkennen, dass hinter der Maske kein Mensch aus Fleisch und Blut, sondern ein Roboter mit Namen "Petman" steckt. Die amerikanische Rüstungsfirma Boston Dynamics hat ihn entwickelt. Im Dezember dieses Jahres wird Petmans Nachfolger "Atlas" im aufwändigsten Roboterwettbewerb antreten, den die Welt zu bieten hat: der DARPA Robotics Challenge. Dann steht bereits die zweite von insgesamt drei Disziplinen an, in denen die Roboter beweisen müssen, dass sie in einem realen Katastrophenfall den menschlichen Einsatzkräften gefährliche Aufgaben abnehmen können – sie müssen sich dafür ein wenig wie Menschen verhalten.

Die DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency  – ist eine Behörde des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten. Sie fördert Forschungsprojekte für die Streitkräfte, aus denen allerdings oft Technologien hervorgehen, die die Zivilgesellschaft verändern. DARPA-Projekte in den 1960er Jahren waren Vorreiter für das heutige Internet. Seither ist die künstliche Intelligenz, insbesondere die Robotik, die große Leidenschaft der Agentur. "DARPA hat für die Robotik einen hohen Stellenwert", sagt Sebastian Scherer von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. "Die DARPA sucht sich für ihre Förderung immer die schwierigsten Probleme heraus. Daher hat sich der Begriff 'DARPA hard' etabliert. DARPA hard bedeutet, es darf keine offensichtliche Lösung für ein Problem geben." Die Robotik hat noch viele solcher Probleme.

"Atlas", der Humanoide | Der 150 Kilogramm schwere, von Boston Dynamics entwickelte Roboter wird zahlreichen Teilnehmern für die Endrunden zur Verfügung gestellt. Andere Teams bauen auf anderen Plattformen auf. Einen Überblick über deren Roboter findet sich auf den Seiten der Challenge.

2002 hat sich die Agentur eigens für die Robotik ein neues Förderinstrument ausgedacht: den Wettbewerb DARPA Grand Challenge. Die erste Challenge förderte autonome Fahrzeuge und sollte sicherstellen, dass bis 2015 ein Drittel der Bodentruppenfahrzeuge der US-Streitkräfte autonom unterwegs sein werden. Das Militär hatte im Irak viele Soldaten durch Bombenexplosionen verloren, autonome Fahrzeuge könnten hingegen ohne Risiko Gegenden auskundschaften. Doch 2002 war die Technologie noch unbefriedigend, die Prototypen fuhren zudem extrem langsam. Ihre Weiterentwicklung war folglich "DARPA hard."

Nicht weit gekommen

Das Interesse an der Challenge war von Beginn an groß – dafür sorgte schon das Preisgeld von einer Million Dollar für das erstplatzierte Team. 100 Teams hatten sich angemeldet, davon schafften es 21 in die Vorrunde, in der die Autos einen etwa eineinhalb Kilometer langen Hinderniskurs auf einer Rennstrecke in Kalifornien bewältigen sollten. Sieben Teams kamen ans Ziel, acht weitere überzeugten die Jury so sehr, dass sie für die Endrunde zugelassen wurden. Ihre Fahrzeuge sahen sehr unterschiedlich aus – von kleinen Motorrädern über Geländewagen bis zum 16 Tonnen schweren Lastwagen TerraMax der US-Firma Oshkosh und der italienischen Universität Parma.

Der Finalkurs wurde erst drei Stunden vor dem Start am 13.  März 2004 bekannt geben. Es ging 240 Kilometer durch die kalifornische Mojave-Wüste bis über die Grenze nach Nevada: extrem enge Kurven, schwierige Steigungen und Gefälle – realistische Bedingungen eben, die einem autonomen Wagen beim Einsatz in gebirgigen Regionen im Irak oder in Kuwait begegnen würden.

Der Wettbewerb zeigte einmal mehr, dass die autonome Robotik auf der Straße nicht weit gekommen war. Zwei Fahrzeuge schieden schon wegen technischer Mängel vor dem Startschuss aus, eines kippte im Startgebiet um. Nach drei Stunden waren noch vier Teams im Rennen, die anderen hatten kaputte Bremsen oder gebrochene Achsen. Ein Auto hatte sich überschlagen, bei einem anderen gab die Satellitennavigation den Geist auf. Kein Fahrzeug schloss die Strecke komplett ab. Am erfolgreichsten war noch die Carnegie Mellon University, deren Auto "Sandstorm" knapp 12 Kilometer schaffte – bis es in einer Kurve vom Kurs abkam und sich festfuhr. Die Reifen der Vorderräder fingen Feuer. Das zweitplatzierte Fahrzeug blieb bei Kilometer 9,7 an einem Felsen stehen, ein weiteres Fahrzeug scheiterte trotz 50-minütigem Gasmanöver an einer Steigung.

Die DARPA verkaufte die Challenge trotzdem als Erfolg, weil das Interesse an autonomen Fahrzeugen gestiegen war. Als Hauptprobleme machten die DARPA-Experten die Hinderniserkennung und die GPS-Navigation aus – sie sollten bis zur Finalrunde der zweiten Challenge am 8. Oktober 2005 gelöst werden. Und offenbar hatten die Forscher ihre Hausaufgaben gemacht: 22 der 23 Finalisten fuhren weiter als das beste Auto im Vorjahr. Fünf Autos meisterten den kompletten Kurs – trotz dreier enger Tunnel und rund 100 scharfer Links- und Rechtskurven. Am Ende hatten sie sogar den berüchtigten Beer Bottle Pass mit seinen steilen Abhängen links und rechts bezwungen.

Aus Fehlern lernen

Schon im Vorfeld zeichnete sich ab, dass die Teams aus Stanford und Carnegie Mellon als Hauptkonkurrenten um das Preisgeld ringen würden. Stanfords Teamchef, der deutsche Informatiker Sebastian Thrun, hatte die Rennen 2004 beobachtet und war zu dem Schluss gekommen, dass GPS auf der Straße nicht ausreicht. Sein 65-köpfiges Forscherteam installierte fünf LIDAR-Einheiten (Light Detection and Ranging), die den Weg vor dem Auto mit Lasern abtasteten. Der Bordrechner kreierte aus den Daten eine dreidimensionale Geländekarte, in der Hindernisse berücksichtigt wurden. Das Team baute zudem drei Gyroskope und drei Beschleunigungssensoren ein, die dem Fahrzeug die Orientierung ermöglichten.

Autonomer
Autonomer "Sandstorm" | Dank ausgeklügelter Technik und zahlreicher Sensoren fuhr "Sandstorm", ein umgebauter Humvee, aufs Siegertreppchen der zweiten Runde. Verantwortlich für seinen Bau zeichnete das "Red Team" der Carnegie Mellon University.

Thrun behielt Recht: Der umgebaute VW Touareg "Stanley" brachte sich kurz nach Startschuss in eine gefährliche Lage, da das Auto das GPS-Signal nicht mehr empfing, doch die anderen Sensoren geleiteten ihn auf die Strecke zurück. "Mit GPS allein wären wir eine Klippe hinuntergestürzt", erklärte Thrun hinterher. 100 000 Zeilen Kode verarbeiteten die LIDAR-, Kamera- und GPS-Daten und kontrollierten Geschwindigkeit sowie Fahrtrichtung. Die Forscher hatten zuvor die Reaktionen und Entscheidungen eines menschlichen Fahrers auf Hindernisse analysiert und in das Programm einfließen lassen – das Auto entschied ähnlich. Stanley gewann.

Mit einer Endzeit von 6 Stunden, 53 Minuten und 8 Sekunden und einem Schnitt von 30,7 Stundenkilometern hatte er allerdings gerade einmal neun Minuten auf den zweitplatzierten "H1ghlander" des Carnegie-Mellon-Teams herausgefahren. Andere Konkurrenten brauchten hingegen unendliche Geduld: Der 16-Tonner TerraMax kam erst am zweiten Tag ins Ziel. In der Nacht hatte er sich extrem langsam über den engen Pass gequält.

Augen auf im Stadtverkehr

Doch die DARPA setzte noch eins drauf. Beim dritten Wettbewerb, der DARPA Urban Challenge, galt es im November 2007, insgesamt 90 Kilometer durch ein städtisches Umfeld zu manövrieren – unter Beachtung der kalifornischen Verkehrsregeln. Diesmal starteten die Autos nicht mehr zeitversetzt, sondern sie mussten aufeinander Rücksicht nehmen. Aufrüstung war gefragt: Der Landrover "Talos" des MIT hatte unter anderem 15 Radareinheiten, sechs Kameras und rund ein Dutzend Laser an Bord.

Von 53 Teilnehmern kamen schließlich elf ins Finale und erhielten dafür Fördergelder von einer Million Dollar. "Diese Anschubfinanzierung war hilfreich, für die Robotik aber nicht wirklich viel", sagt Sebastian Scherer, der im Carnegie-Mellon-Team für die Simulation der Fahrzeuge zuständig war. "Die Robotik ist kapitalintensiv – das gilt für die Technik wie für die hohe Anzahl der Leute, die mitgearbeitet haben". Und die Vorbereitungszeit war knapp. "Wir hatten anderthalb Jahre", sagt Scherer. "Wir haben quasi bei null angefangen, da das Fahrzeug speziell für die Challenge gebaut wurde. Auch viele Algorithmen waren neu."

© Google
Fahrerloses Auto von Google
Werbefilm über das fahrerlose Auto von Google. Die Technik dahinter hat in den vergangenen Jahren erstaunliche Fortschritte gemacht – nicht zuletzt dank der enormen Anstrengung, die die Teams in der DARPA Grand Challenge leisteten.

Am Ende sprangen für das Siegerteam "Tartan Racing", einer Kooperation von Carnegie Mellon und General Motors, zwei Millionen Dollar Preisgeld heraus. Knapp über 20 Millionen Dollar ließ sich die DARPA den Wettbewerb insgesamt kosten und rechtfertigte die Ausgabe mit dem gewaltigen Sprung, den autonome Fahrzeuge damit machen würden – und dass damit die Sicherheit im Straßenverkehr steigen dürfte. In der Tat halfen viele Entwickler nach dem Wettbewerb, das autonome Auto von Google zu entwickeln, das derzeit im Testbetrieb unfallfrei durch Kalifornien kurvt.

Der robotische Offenbarungseid

Dass die DARPA mit der Robotics Challenge nun einen vergleichbaren Quantensprung bei den Rettungsrobotern bewirken will, hat einen ernsten Hintergrund. Die Katastrophe in Fukushima war eine Pleite für die Robotik. Die Roboter, die in das Kernkraftwerk einrückten, waren dafür konzipiert, auf einer Straße nach Bomben Ausschau zu halten und sie zu entschärfen. Mit den Trümmern eines havarierten Kraftwerks kamen sie nicht zurecht. Preisgelder und Fördermitteln in Höhe von erneut rund 20 Millionen Dollar sollen nun den Anreiz schaffen, das zu ändern.

"Diese gewaltige Herausforderung ist faszinierend und erschreckend zugleich"(Oskar von Stryk)

Die Robotics Challenge begann im Oktober 2012 und läuft insgesamt 27 Monate. Es gibt drei Einzelwettbewerbe: den Virtual Challenge, der im Juni stattfand, anschließend die beiden Challenges in der realen Welt im Dezember 2013 sowie im Dezember 2014. Die Roboter müssen nicht zwangsläufig wie Menschen aussehen, doch die meisten Teams haben sich für diesen Weg entschieden. Humanoide Roboter dürften besser in Umgebungen zurechtkommen, in denen Menschen arbeiten oder leben.

Der virtuelle Wettkampf im Juni gab einen Vorgeschmack auf die kommenden Wettbewerbe: Die Roboter mussten in der Simulation in ein Fahrzeug steigen und es durch eine städtische Umgebung lenken. Am Ziel angekommen sollen sie aussteigen und durch simulierten Matsch, über Ziegelsteinhaufen und durch eine Hügellandschaft spazieren. Am Ende galt es, noch einen Feuerwehrschlauch an ein Wasserrohr anzuschließen und ein Ventil aufzudrehen. Jedes Team hatte fünf Versuche für jede der drei Aufgaben, in denen die Roboter ihre Fähigkeiten in Wahrnehmung, Manipulation und Bewegung unter Beweis stellen sollten.

© DARPA
Ideale Performance
Bei der Virtual Challenge mussten die Teilnehmer zunächst in der Simulation beweisen, dass sie einen Roboter durch den anspruchsvollen Parcours steuern können. Freiheiten in der Simulation ließen es allerdings zu, dass die Aufgaben mit eher unkonventionellen Methoden bewältigt wurden.

Dabei verlangen die Regeln keine völlig autonomen Roboter. Die Teams können zwischendurch Befehle an die Roboter schicken und deren Daten empfangen. Die Simulation verzögerte die Signale allerdings künstlich und ließ die Datenverbindung zwischen 64 und 16 384 Bits pro Sekunde heftig schwanken – schließlich ist mit genau solchen Kommunikationsproblemen in einem echten Katastrophenfall zu rechnen.

"Atlas" trägt die Hauptlast

"Diese gewaltige Herausforderung ist faszinierend und erschreckend zugleich", sagt Oskar von Stryk von der Simulation, Systems Optimization and Robotics Group der Technischen Universität Darmstadt. Die Gruppe ist gemeinsam mit Forschern der Virginia Tech sowie deren Spin-Off TORC Robotics als "Team ViGIR" im Rennen. Die Darmstädter sind für die On-Board-Software des Roboters verantwortlich. Das Team ViGIR belegte in der Virtual Robotics Challenge den sechsten Platz im so genannten Track B.

Die DARPA hatte die Teams in Track A bis D eingeteilt, von denen die A- und B-Teams eine Vorabfinanzierung bekommen und die sieben besten der insgesamt 127 B- und C-Teams einen Atlas-Roboter als Leihgabe für die Finalwettbewerbe. Teams im Track C und D erhalten ansonsten keine Förderung.

Oskar von Stryk und seine Kollegen können somit Atlas im nächsten Wettbewerb im Dezember einsetzen. Der Roboter hat insgesamt 28 hydraulische Gelenke. "Er ist sehr leistungsfähig – hydraulische Antriebe sind stärker als elektrische", sagt von Stryk. Der Roboter sei ab Werk schon dazu in der Lage, zuverlässig auf ebenem Grund zu gehen und kleinere Unebenheiten zu bewältigen. "Das macht die Vorbereitung einfacher". Atlas hat ein leistungsfähiges Sensorsystem zur Wahrnehmung der Umgebung, bestehend aus einem Laserscanner und einer Stereokamera, aber er kann seinen Kopf nur auf- und abbewegen, nicht zur Seite. Daher braucht er Kameras unter dem Kinn, die zur Seite schauen.

Die Hände sind allerdings nicht inbegriffen, sondern werden von den Teams beschafft – die Darmstädter testen derzeit die Greifer von den Firmen iRobot und Sandia. "Die vierfingrige Sandia-Hand ist feinfühliger", sagt von Stryk, "die dreifingrige iRobot-Hand ist dagegen deutlich kräftiger und robuster." Der Wert des Roboters wird auf 1,8 Millionen Dollar geschätzt, inklusive Hände auf zwei Millionen Dollar.

Fordernder Hindernisparcours

Im Dezember muss er sich in der physischen Welt beweisen: ein Auto fahren, über Gerümpel steigen, sperrigen Schutt aus dem Weg räumen, Türen öffnen, eine Industrieleiter hochklettern, mit einem Werkzeug eine Barriere entfernen, ein Ventil finden und auf- und zudrehen sowie einen Schlauch anschließen. Die Disziplinen sollen zunächst einzeln gemeistert werden – erst im Finale 2014 müssen die Roboter dann einen kompletten Parcours an einem Stück lösen.

© Boston Dynamics
"Atlas" bei der Gymnastik
Die US-amerikanische Roboterfirma Boston Dynamics ist bekannt für ihre robusten Maschinen, die meist mit Blick auf einen Einsatz im Militär gebaut werden – so wie der vierfüßige Traglastroboter "BigDog" oder WildCat". Atlas kann ab Werk bereits einige Unebenheiten bewältigen und sogar auf einem Bein balancierend Stöße abfedern. Ob dies für einen erfolgreichen Einsatz bei der Challenge ausreicht, ist aber noch unklar.

In der physischen Welt ist einiges schwieriger als in der virtuellen. "Wir haben zum Beispiel festgestellt, dass der Roboter im Auto immer wieder ein wenig vom Sitz rutscht, weil zwischen Sitzfläche und Roboter wenig Reibung war", sagt von Stryk. "Er muss sich mit einer Hand festhalten. Wir müssen auf viele solche Details achten." Auch das noch stärkere Rauschen bei der Kommunikation mit dem Roboter ist im realen Wettbewerb ein Nachteil.

Oskar von Stryk ist sich dennoch sicher, dass die Challenge einen ähnlichen Effekt auf die Forschung haben wird wie die früheren Wettkämpfe auf autonome Fahrzeuge. "Keine einzige der Challenge-Aufgaben ist bisher zuverlässig autonom gelöst worden", sagt von Stryk. "Wenn es klappt, wäre das ein gigantischer Sprung". Die DARPA ließ für den Wettbewerb eigens ein Open Source Simulationstool entwickeln – ein cloudbasierter Simulator, der das physikalische und sensorische Verhalten der Roboter berechnet und in einem dreidimensionalen virtuellen Raum in Echtzeit darstellt. Der Simulator wird zahlreiche Robotermodelle und Landschaften enthalten und kann von jedem, der sich mit Robotik beschäftigt, genutzt und weiterentwickelt werden.

Die DARPA hat freilich auch bei humanoiden Robotern ein militärisches Interesse. Sie könnten in Gefahrensituationen gebraucht werden, etwa um Soldaten zu retten. Für die Aufklärung oder als Waffe sind humanoide Roboter indes ungeeignet – das können Drohnen und Roboter auf Rädern besser. Für die Technische Universität Darmstadt, die in einer Zivilklausel nur Forschung zu friedlichen Zwecken gestattet, war es von Bedeutung, dass die DARPA Challenge Rettungseinsätze in den Vordergrund stellt.

Ob das System DARPA generell gut für die Forschung ist, daran scheiden sich die Geister. Manche Wissenschaftler, wie der Informatiker Benjamin Kuipers, lehnen jegliche DARPA-Förderung ab. Zwar erweckten viele DARPA-Projekte den Anschein, für die Gesellschaft nützlich zu sein, erklärt der Forscher. Doch es komme immer wieder vor, dass DARPA-geförderte Wissenschaftler sich mit dem Geld ein Labor aufbauen und dann vor die Wahl gestellt werden: Entweder sie wenden ihre Grundlagenforschung nun auf Waffentechnik an oder sie erhalten eben keine Mittel mehr – aus Verantwortung für ihre Mitarbeiter nähmen sie dann die Aufträge an, meint Kuipers.

Der Reiz der DARPA-Förderung liegt dagegen ganz in ihrer Pragmatik: "Wenn wir Roboter für die Landwirtschaft entwickeln, dann spielt Wirtschaftlichkeit eine zentrale Rolle", sagt Sebastian Scherer. "Wir müssen uns überlegen, wie viel das System kostet, wie effizient es arbeitet und ab wann sich die Investitionen für Anwender auszahlen." Beim Militär geht es dagegen rein um die Performance: "Die Kosten kann man später noch reduzieren."

42. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42. KW 2013

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