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Robotik: Die wundersame Vermehrung der Roboterwürmer

Aus eins mach zwei. Was bei Kaninchen und Meerschweinchen ohne besondere Hilfe von Seiten des Menschen funktioniert, ist in der Welt der Roboter noch Utopie. Doch langsam nähert sich die Science der Fiction: Ein wurmähnlicher Roboter aus würfelförmigen Einzelteilen vermehrt sich munter selbst.
Roboterwurm
Computer haben ohne Zweifel einen eigenen – meist miesen – Charakter. Sie verweigern im unpassendsten Moment den Dienst, löschen am liebsten wichtige Dokumente und tun nur widerstrebend, was der Mensch an der Tastatur gerne hätte. Aber selbst, wenn die Rechner sich ab und zu ein Virus einfangen und "verschnupft" sind – als lebendig gelten sie noch lange nicht. Dafür müssten sie einige weitere Kriterien erfüllen, die Biologen als behelfsmäßige Hürde für "Leben" aufgestellt haben: einen Energiestoffwechsel beispielsweise, Reaktionen auf die Umwelt, evolutive Anpassung an Veränderungen und natürlich Selbstreproduktion, also Vermehrung. Und vor allem beim letztgenannten Punkt hapert es heutzutage. Zwar existieren längst theoretische Konzepte, nach denen Roboter sich selbst nachbauen, und zwei einfachste reale Modelle aus Legosteinen oder Holzteilen haben die prinzipielle Machbarkeit bewiesen – so richtig überzeugend waren diese Demonstrationen jedoch nicht.

Einzelsegment des Wurms | Jede "Zelle" eines Roboterwurms war ein Würfel mit Elektromagneten für den Halt zum Nachbarwürfel und Kontakten für die Datenweitergabe. Eine diagonale Teilung machte den Würfel über interne Motoren drehbar.
Victor Zykov von der Cornell-Universität und seine Kollegen präsentieren nun den nächsten Schritt auf dem Weg zur selbstreproduzierenden Roboterschwemme. Ihr elektronisches Haustier kann zwar nichts anderes, als sich zu vermehren, aber das tut es dafür recht selbstständig. Allerdings braucht der Roboterwurm das richtige Baumaterial, die ihm ein Mensch auf genau dem vorbestimmten Platz zurechtlegen muss: Würfel von zehn Zentimetern Kantenlänge, in denen die komplette Elektronik und Mechanik stecken.

Innenleben des Wurms | Ein Blick ins Innenleben des Roboters: Motoren erlauben den Segmenten sich zu drehen und so die Wurmgestalt zu knicken.
Diese Würfel sind quasi die Zellen des Roboters, von denen drei, vier oder mehr zusammen einen Wurm bilden. Jeder Würfel ist diagonal geteilt und mit Motoren ausgestattet, sodass er in 120-Grad-Schritten in sich rotieren kann. Über Elektromagneten, die von der Elektronik ein- und ausgeschaltet werden, nimmt der Würfel Kontakt zu seinem Nachbarn auf oder löst die Verbindung.

Der Wurm legt sich hin | Die Standbilder zeigen, wie ein vierzelliger Roboterwurm sich zu Beginn einer Reproduktionsphase auf den Boden legt. Er bewegt dabei mehrere Gelenke gleichzeitig koordniert. Die Zahlen oben rechts in den Bildern geben die Zeit in Sekunden an.
In den Testläufen ließen die Ingenieure Würmer mit drei oder vier Zellen Kopien von sich selbst anfertigen. Der Roboter griff sich jeweils die dargebotenen Einzelwürfel und setzte sie mit passenden Drehungen und unter Einsatz seiner magnetischen Kopplung Stück für Stück zu einem neuen Wurm zusammen. Da er nur in rechten Winkeln operieren kann, musste der Abkömmling zumindest beim obersten Würfel mithelfen. Etwa eine Minute dauerte die Prozedur bei dreizelligen Würmern, für vierzellige Exemplare waren rund 2,5 Minuten nötig.

Aus eins mach zwei | Die Reproduktion eines vierzelligen Roboterwurms in Standbildern eines Videofilms. Rote Kreise markieren neue Einzelwürfel, die von den Wissenschaftlern an bestimmten Stellen platziert wurden. Die Zahlen in der Ecke rechts oben geben die Zeit in Minuten und Sekunden an.
Auf den ersten Blick nehmen sich die selbstbauenden Roboterwürmer ein wenig bescheiden aus – immerhin setzen sie nur fertige Würfel aneinander, in denen die wirklich raffinierte Elektronik und Mechanik steckt. Die Forscher argumentieren aber, dass Selbstreplikation kein Alles-oder-Nichts-Vorgang sei, sondern fließende Grenzen habe. Mit der Variabilität biologischer Zellen, die alleine für jedes Protein aus abermilliarden Kombinationen von Aminosäuren wählen könnten, ist der Roboterwurm nicht zu vergleichen, doch im Prinzip macht er das gleiche: aus Einzelteilen ein komplexeres Ganzes erstellen, das Dank neuer Eigenschaften mehr ist als die Summe seiner Teile. Spätere Generationen von Robotern könnten möglicherweise mit einfacheren Grundbausteinen auskommen und sich so langsam dem Vorbild annähern.

Ob die Spielzeugindustrie dann eines Tages in die Entwicklung eingreift und den Roboterhund anbietet, der "richtige" Welpen bekommen kann, bleibt abzuwarten. Die Cornell-Wissenschaftler denken jedenfalls an ernsthaftere Anwendungen. Beispielsweise könnten zukünftige Weltraummissionen mit Ersatzteilen für ihre Erkundungsroboter ausgestattet sein, sodass die Nachfolger von Sojourner und Co sich bei Bedarf selbst reparieren könnten. Oder Wartungsroboter in menschenfeindlichen Umgebungen erhöhen ihre Flexibilität durch den modularen Aufbau. Die Evolution hat den Abkömmlingen der Roboterwürmer viele dankbare Einsatzfelder zu bieten – vorausgesetzt, sie haben einen freundlicheren Charakter als die Schreibtisch-PCs von heute. Aber vielleicht greift die (marktwirtschaftliche) Evolution auch da irgendwann einmal ein.

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