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Robotik: Torkeln fällt Robbi leichter

Bevor Androiden die Welt erobern, müssen sie erst einmal laufen lernen. Dabei machen sie es sich anscheinend bislang unnötig schwer. Selbst die Stars unter den Robotern benötigen gewaltige Rechenleistungen und zehnmal mehr Energie als ein Mensch, um beim langsamen Schreiten nicht auf die Nase zu fallen. Dabei ginge alles viel einfacher, wenn sie sich beim Gehen ein wenig gehen lassen.
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Beim kindlichen Spielen lernen wir für das ganze Leben – besonders die Ingenieure unter uns. Vermutlich erinnern Sie sich auch noch an die kleinen Figürchen aus Holz oder Plastik, die von einem Gewicht gezogen wurden, das an einer Schnur über die Tischkante hing. Auf staksigen Beinchen trotteten und schwankten die Figuren auf den Rand zu. Ganz ohne Elektronenhirn, ausgefeilte Algorithmen und schwere Akkus vollbrachten sie das Wunder des Gehens. Angetrieben nur von dem bisschen Schwerkraft, die auf das Gewicht wirkte.

Im Gegensatz dazu nehmen sich die technischen Ausstattungen moderner Gehroboter reichlich monströs aus. Hondas berühmter Asimo ähnelt äußerlich zwar einem Menschenkind im Raumanzug, vollbringt aber während seiner Wanderungen mit einem Tempo von drei Kilometern pro Stunde ständig Kalkulationen wie ein kleines Rechenzentrum. Ständig wird alles kontrolliert, optimiert und korrigiert. Das kostet natürlich Kraft, und so verbrauchen die Gehroboter auf ihren Wegen mindestens zehnmal so viel Energie wie ein Mensch.

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Laufroboter | Die Roboter von der Technischen Universität Delft (links), dem MIT (Mitte) und der Cornell-Universität (rechts) laufen ohne großen Energieaufwand und schwingen dabei wie Menschen die Arme zu Ausgleich.
Warum so kompliziert, wenn das Kinderspielzeug doch vormacht, wie einfach Gehen geht? Das fragten sich gleich drei Arbeitsgruppen, die am Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Cornell-Universität und der Technischen Universität Delft das Prinzip der so genannten passiv-dynamischen Geher aufgriffen, an denen sie schon als Kind ihre Freude hatten. Mit bestimmten Schwerpunkten konstruierten die Teams Roboter, die tatsächlich laufen und sich dabei ganz ähnlich wie Menschen bewegen.

Die Gehmaschinen sollten weder durch ein Fadengewicht gezogen werden, noch auf schräge Rampen beschränkt sein. Damit fiel die Gravitation als Triebkraft weg. An ihre Stelle traten kleine Elektromotoren, die beim Cornell-Modell während des Beinschwungs nach vorne Federn in den Knöchelgelenken spannen, die dadurch den Schwung für den nächsten Schritt speichern. Wann es Zeit zum Abdrücken ist, bestimmen simple Mikrochips. Nach den Berechnungen der Wissenschaftler um Andy Ruina ist dies mit elf Watt Verbrauch die energiesparendste Gehweise, die es gegenwärtig bei Robotern gibt. So viel benötigen wir Menschen ebenfalls.

Wie sein Kollege aus Cornell bewegt sich auch der Delfter Roboter durch drei Gelenke auf jeder Seite fort: Hüfte, Knie und Knöchel. Allerdings treibt ihn eine pneumatische Hüfte an, während sich die Knöchel passiv verhalten. Das kostet etwa die Hälfte mehr Energie. Dafür kippt er nicht so leicht nach vorne oder hinten, denn bevor er fällt, schwingt der Roboter rechtzeitig ein Bein in die entsprechende Richtung.

Dem MIT-Roboter gaben seine Entwickler den Namen Toddler (Kleinkind), denn genau das war seine Aufgabe: ohne Anleitung von außen selbstständig gehen zu lernen. Alles, was er dazu bekam, war ein Kontrollprogramm mit Feedback-Schleife, Sensoren und 35 Parameter, an denen er mit zufälligen Veränderungen experimentieren durfte. Über interne Vergleiche, ob ein Schrittversuch bessere oder schlechtere Ergebnisse brachte als der vorhergehende, lernte Toddler so laufen. In nur zehn Minuten, mit rund 600 Schritten. Ohne Hilfe von seinen Erbauern konnte er eigenständig losgehen, anhalten, abbiegen, vorwärts und rückwärts gehen. Sogar an verschiedene Untergründe – wie Stein, Parkett und Teppich – hatte er sich schnell gewöhnt.

Kann Asimo nun in Rente gehen? Stehlen ihm in Zukunft Kinderspielzeuge die Show? Wohl kaum, denn Asimo beherrscht inzwischen eine Menge Tricks, die seine Konkurrenten erst noch lernen müssten. Dazu gehören zum Beispiel das Treppensteigen und Interaktionen mit Menschen. Allerdings setzt er für seine Schritte auf Sensoren und Techniken, die schneller sind als die Nerven und Muskeln im menschlichen Körper. Es mag zwar aussehen wie bei einem Menschen, wenn Asimo geht, aber er macht es letztlich ganz anders als wir.

Die drei Neulinge starten hingegen mit einem anderen Ansatz. Sie sind tatsächlich gebaut wie stark vereinfachte Menschenbeine und -hüften. Jeder Roboter für sich simuliert eine besondere Fähigkeit, die Menschen zum Gehen nutzen. Dabei läuft nichts schneller oder besser ab als im biologischen Vorbild. Insofern sind die Forscher mit ihren Maschinen also näher an das menschliche Gehen gekommen.

Daraus ergeben sich ganz zwanglos praktische Anwendungsgebiete für die Arbeit mit den drei Robotern. Wenn wir wissen, wie Menschen eigentlich gehen, lassen sich Ausfälle, die dieses Gehen verhindern, eventuell kompensieren. Neue Prothesen könnten beispielsweise natürlichere Bewegungen ermöglichen – mit einfacherer und somit günstigerer Technik. Denn vielleicht ist ja alles viel einfacher, als wir bislang gedacht haben. Man muss nur dem Spieltrieb ein wenig Freiraum lassen.
18.02.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18.02.2005

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