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Robotik: Tücken des Erwachsenwerdens

Lange wurden sie bei der Hand genommen. Doch nun soll Schluss sein mit der Bevormundung, fordern Experten. Roboter sollen endlich erwachsen werden. Dazu gehört vor allem, Verantwortung zu übernehmen und aus den eigenen Fehlern zu lernen. Und das am besten gleich im Team. Kann dies gelingen?
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Mehr als 480 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, in klirrender Kälte und umgeben von einer riesigen Wüste aus Geröll und rotem Sand, drehen sie noch immer ihre Runden: Die beiden Mars-Exploration-Rover der Nasa, die im Januar 2004 auf dem roten Planeten ausgesetzt worden waren, um ihn auf Wasservorkommen zu untersuchen und Gesteinsproben zu sammeln. Seit fast vier Jahren senden sie regelmäßig Fotos und Daten gen Erde. Weder Sandstürme noch technische Probleme konnten ihnen etwas anhaben – die beiden hochtechnischen Geräte scheinen unverwüstbar.

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Spirit und Opportunity | Die beiden baugleichen Marsrover Spirit und Opportunity (hier per Fotomontage ins Bild gesetzt) erforschen seit Januar 2004 den Mars. Ursprünglich sollten sie nur drei Monate funktionieren, seitdem wurde ihre Mission immer wieder verlängert. Opportunity konnte Beweise dafür finden, dass es einst flüssiges Wasser auf dem Mars gab.
Der Grund ihrer Ausdauer jedoch bleibt meist im Verborgenen: Es sind die unermüdlichen Programmierer und Ingenieure der Nasa, die den Rovern immer wieder aus der Patsche helfen. Mehr als 200 Techniker kümmerten sich in der Anfangsphase um die Fahrgeräte – und halfen den Geräten von der Erde aus etwa beim Hochladen des Computers oder beim Entfernen unliebsam verkeilter Steinchen. Alleine konnten die Roboter die unerwarteten Probleme nicht bewältigen. Denn um Fehlerquellen im Betriebssystem zu vermeiden, hatten die Ingenieure sie möglichst simpel programmiert.

Das Beispiel der Mars-Rover zeigt: Der Betrieb von Robotern war bislang ein eher mühevolles Geschäft. Zwar sind die Geräte inzwischen fit genug, um in so entlegene Gebiete wie den Weltraum oder die Tiefsee vorzudringen – doch bei Problemen benötigen sie immer wieder menschliche Unterstützung. Experten wie James Bellingham und Kanna Rajan vom US-amerikanischen Monterey Bay Aquarium Research Institute sind jedoch zuversichtlich, dass sich das in naher Zukunft ändern wird. Denn die Robotik-Zunft forscht intensiv an neuen Modellen, die ihr Dasein autonom gestalten können [1].

Stellvertreter in fernen Welten?

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DepthX Testlauf | Erster Schwimmtest des autonomen Tauchroboters im Testbecken der Universität von Texas in Austin
Der Bedarf hierzu wäre da: Gerade in weit entfernten oder unwirtlichen Gegenden wie dem Weltraum – aber auch der Tiefsee – gelten Roboter als ideale Stellvertreter des Menschen. Doch bei den aktuellen Modellen überwiegen noch die Schwierigkeiten. So gibt es häufig Kommunikationsprobleme, etwa weil per Satellit übertragene Befehle an den Automaten zeitverzögert ankommen. Sekundenschnelles Reagieren auf unvorhergesehene Ereignisse ist da nahezu unmöglich – es sei denn, der Roboter reagiert selbst auf die Gefahr.

Genau hier setzen aktuelle Forschungsteams an. Sie wollen die Roboter ihren Kinderschuhen entheben und zu eigenverantwortlichen Wesen machen, die den Weg zu ihrem Ziel autonom gestalten. Zwar erkennen schon heutige Tiefseeroboter beispielsweise Hindernisse, doch bislang sind sie noch nicht in der Lage, die vorab von den Forschern gefassten Routen selbständig zu ändern. Genau dies jedoch würde die Automaten erst zu idealen Forschungspartnern machen.

Autonome Beobachtungsteams

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Forschungsgeräte in der Ausstellung "Ozean der Zukunft" | Der orangene Ozeanboden-Seismometer misst seismische Aktivitäten am Meeresgrund. In der Luft schwebt ein so genannter "Glider", ein autonomes Messgerät, dass über Monate hinweg durch die Meere gleiten kann und dort etwa Informationen über den Salzgehalt des Wassers sammelt.
Tiefseeforscher beispielsweise träumen schon lange von einem ganzen Netzwerk elektronischer Helfer, die auf Eigenregie die Meere durchforsten, nach bestimmten Kriterien Wasser- oder Gesteinsproben sammeln und ihre Daten mit ihren Roboter-Kollegen austauschen. Aktuell ist ein Welt umfassendes Netz so genannter Glider im Aufbau – im Wasser schwebende Messgeräte, die über Monate hinweg Daten sammeln. Noch sind die Funktionen der Maschinen eingeschränkt. Doch die Zukunft der Meeresforschung, ist sich Bellingham sicher, liegt in einem weltweiten Netzwerk selbständiger Automaten, die wiederum ein weltweites Netzwerk von Wissenschaftlern mit Daten versorgen.

Bis es so weit ist, müssen jedoch noch einige Hürden überwunden werden. Insbesondere die Wahrnehmung und das selbständige Lernen stellen die Techniker hierbei noch vor große Schwierigkeiten. Aber auch die Energiefragen sind noch ungelöst: Woher bekommen die Geräte bei ihren Dauereinsätzen Strom? Ideen gibt es zuhauf: die Nutzung von tiefseeischen Thermalquellen etwa, aber auch die Möglichkeit zentralenr Docking-Stationen im Ozean werden erwogen. Umgesetzt werden konnten solche Ideen bislang freilich nicht.

Ideen aus der Natur

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Salamander-Roboter | Dieser Roboter imitiert den Bewegungsablauf eines Salamanders – und kann je nach Umgebung zwischen Laufen und Schwimmen wechseln. Der Automat ist eine Kreation der Biologically Inspired Robotics Group der Ecole Polytechnique Fédérale von Lausanne.
Doch bei der Weiterentwicklung ihrer Modelle zeigen sich die Robotiker kreativ – und lassen sich immer häufiger auch von der Natur inspirieren. Schwimmende Automaten imitieren die Wellenbewegung von Fischen, Kletterroboter nutzen die legendäre Saugtechnik von Geckofüßen, die ihre Besitzer mit Leichtigkeit jede Steigung erklimmen lassen. Auch den menschlichen Gang bewältigen die Automaten immer besser. Sogar Steigungen und Treppen sind für manche Modelle kein Problem mehr – eine Grundvoraussetzung, damit sie dereinst auch in menschlicher Umgebung ihre Hilfe anbieten können [2].

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Mikro-Fliege | Die filigranen Flügel einer Fliege standen Pate für dieses winzige Wunderwerk der Harvard University.
Der Blick auf die Raffinessen der Natur offenbart den Forschern jedoch nicht allein neue Lösungsmöglichkeiten für alte Probleme, sondern verändert auch ihren Blick auf den Gegenstand Maschine selbst. Schließlich entwickeln Tiere und Pflanzen ihre Fähigkeiten, indem sie sich an die Umwelt anpassen. Sollten sich analog nicht auch die Roboter auf ihre Umgebung einlassen können und mit ihr in einen dynamischen Lernprozess treten?

Aus Fehlern lernen

Gerald Edelman vom Neurosciences Institute in San Diego hat genau diese Idee aufgegriffen [3]. Er versucht, das menschliche Gehirn nachzubilden, um so dem Roboter eigenständiges Lernen anzutrainieren. Hierzu imitierte er sogar ein Netzwerk aus 20 000 Neuronen, die insgesamt 450 000 Verbindungen eingehen. Durch ein integriertes Belohnungssystem sollen seine "hirngesteuerten" Roboter dann nach und nach lernen, ihre Umwelt als ein großes Ganzes wahrzunehmen und einzelnen Gegenständen einfache Kategorien zuzuordnen.

Doch bis solche Maschinen einsatzfähig sind, dürfte es noch eine Weile dauern. Immerhin – in einem nachgestellten Labyrinth erzielte einer der Elektrohirn-Roboter ähnliche Erfolge wie Laborratten: Nach mehreren vergeblichen Versuchen fand er den Ausgang.
17.11.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17.11.2007

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