Roboter im Schwarm
Kolibris, Libellen, Fledermäuse, Bienen, Kakerlaken – rund um den Globus wird an autonomen Mini-Robotern gearbeitet, die nicht nur spezielle Aufgaben erledigen, sondern nach Möglichkeit auch in Gruppen interagieren sollen. Doch die Natur zu kopieren ist nicht immer einfach.
- Matthias Gräbner
Es wirkt schon beeindruckend, wenn Hondas humanoider Roboter Asimo behäbig eine Treppe hinaufsteigt. Doch was den Betrachter da so fasziniert, hat wohl vor allem etwas mit dem Bestreben zu tun, sich ein Wesen nach seinem Bilde zu konstruieren. Tatsächlich ist Asimo dumm, wird aus der Ferne gesteuert, und wenn er nicht nach spätestens 40 Minuten das Akkupaket auf seinem Rücken auflädt, dann schläft er im Stehen ein.
Doch auch wenn Geschöpfe wie Asimo noch immer die Berichterstattung dominieren – die Roboterforscher haben längst neue Vorbilder für ihre Konstruktionen gefunden. Lange suchen mussten sie dazu nicht: Mutter Natur hat nach dem Prinzip Versuch und Irrtum schließlich schon hinreichend viele erfolgreiche Kreaturen erzeugt. Und hält nebenbei drei wichtige Lehren bereit. Punkt 1: Spezialisierung ist effizient. Punkt 2: Es kommt nicht auf die Größe an. Punkt 3: Intelligenz ist keine Frage des Hirnvolumens.
Effizienz durch Spezialisierung
Unter anderem in der Welt der sozialen Insekten gehört es zum Alltag, dass sich die Bewohner einer Kolonie die Arbeit teilen. Je nachdem, welche Rolle ein Exemplar ausfüllen soll, besitzt es oft einen extrem abweichenden Körperbau. Noch ist die Wissenschaft nicht so weit wie die Natur, wo Arbeiter und Königinnen mit derselben Gen-Ausstattung auf die Welt kommen. Im von der EU geförderten Swarmanoid-Projekt [1], das noch bis Frühjahr 2010 läuft, sollen über 60 autonome Roboter zusammenarbeiten, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Foot-Bots rollen auf dem Boden und besitzen besondere sensorische Fähigkeiten. Hand-Bots können vertikale Oberflächen erklimmen und Objekte manipulieren, während die Kameras tragenden Eye-Bots sich mit Hilfe von vier Rotoren in die Lüfte erheben.
Die Möglichkeit, die Welt beinahe unerkannt von oben zu beobachten, lässt natürlich die Militärs dieser Welt aufhorchen. Und so ist auch die Roboter-Fledermaus, die die US-Armee im Rahmen des COM-BAT-Programms von drei US-Universitäten für zehn Millionen Dollar entwickeln lässt [2] , auf diese Aufgabe spezialisiert: Sie soll die Welt in Stereo betrachten, als fliegender Horchposten dienen, Gase erschnüffeln und Radioaktivität aufspüren. Dabei ist die Fledermaus mit etwa 15 Zentimetern Länge noch recht groß. Während sie flügelschlagend durch die Lüfte segelt, lädt sie ihren Akku über ein miniaturisiertes Windkraftwerk und Solarzellen wieder auf.
Keine Frage der Größe
Das klingt nicht nur futuristisch – es ist bislang auch nur Vision: Allein das Navigationssystem müsste etwa tausend Mal kleiner sein als aktuelle Technologie. Niederländische Forscher sind mit ihrer deutlich kleineren Roboterfliege DelFly Micro [3] schon bei zehn Zentimetern Spannweite und drei Gramm Gewicht angekommen. DelFly Micro fliegt schon; derzeit befasst sich das Team damit, der künstlichen Fliege autonomes Schweben beizubringen. Während man am großen Modell, der 28 Zentimeter langen DelFly II, vor allem die Aerodynamik des Flügelschlags erforschen will, soll DelFly Micro demnächst mit einem bürstenlosen Motor das Schweben erlernen.
Rick Ruijsink von der TU Delft erklärt, vor welchen Schwierigkeiten die Forscher stehen: „Es ist allein schon schwierig festzustellen, wo sich der Mini-Flieger überhaupt befindet – das ist wichtig für Navigation und Informationsbeschaffung. Dann haben wir das Problem der Energieversorgung – kleine Batterien sind nicht sehr effizient. Andererseits kostet es viel Energie, Bilder über größere Strecken drahtlos zu übertragen.“ Am Ende der Entwicklung soll dann eine nur noch 50 Millimeter große DelFly Nano stehen, die selbstständig manövriert und Bilder aus Gebieten schicken kann, die Menschen aus unterschiedlichen Gründen nicht betreten können.
Ein anderes Element haben sich MIT-Forscher für ihre Mini-Roboter ausgesucht: Ihr kürzlich präsentierter Roboterfisch [4] bewegt sich, und das ist neu, erstmals beinahe so durchs Wasser wie seine natürlichen Vettern. Der aus weichem Plastik hergestellte Kunstfisch imitiert die Schwimmtechnik der Forelle, bei der sich die Bewegung auf das Schwanzende konzentriert. Der etwa in Magenhöhe sitzende Motor versetzt die Fischhaut in Vibrationen, die sich über den ganzen Fisch fortpflanzen.
Hoch sind auch die Ansprüche, die die Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums, die DARPA, an das mit 2,1 Millionen Dollar dotierte und an das Unternehmen AeroVironment [5] vergebene Nano-Air-Vehicle-Programm (NAV) stellt. Zehn Gramm darf das per Flügelschlag auf bis zu 10 Meter pro Sekunde (36 km/h) beschleunigende Fluggerät wiegen, das AeroVironment entwickeln soll. Dabei soll das einem Kolibri nachempfundene NAV Seitenwinden bis zu 2,5 Metern pro Sekunde widerstehen, sich in Gebäuden und außerhalb verwenden lassen, und auf eine Reichweite von 1000 Metern kommen.
Verteiltes Hirnvolumen
Derart auf militärische Zwecke beschränkt ist das Programm zur Entwicklung von „Small-scale mobile robotic devices“ nicht, für das Mitte August Forscher unter anderem der Harvard University zehn Millionen Dollar Unterstützung erhielten [6]. Sie wollen sich an sozialen Insekten wie der Biene orientieren – und diese gleich in mehreren Aspekten nachahmen. Zum einen geht es dabei um den autonomen Flug eines winzigen Roboters, zum anderen aber auch um die Zusammenarbeit der Geschöpfe untereinander. Die Forscher erhoffen sich davon neuartige Technologien, etwa im Akkubereich, aber auch neue Erkenntnisse in der Insektenkunde.
Weit mehr als Ankündigungen haben die Forscher des Projekts Robobee [7] zu bieten: An der Freien Universität Berlin versucht ein mehrköpfiges Team, das Sozialleben der Bienen mit Hilfe eines künstlichen Exemplars zu durchleuchten. Professor Raúl Rojas, einer der Projektleiter, erklärt, dass reine Beobachtung in diesem Fall nicht genügt: In dem Sender-Empfänger-System namens Bienentanz sei in der Biologie noch umstritten, welche Signale wie kodiert würden. Ist etwa der Geruch der tanzenden Biene wichtig, ihre Bewegung, Geräusche? Und was nehmen die anderen Bienen wahr? „Das kann man allein durch Beobachtung nicht lösen, man muss die verschiedene Signalteile ein- und ausschalten können.“
Ganz nebenbei erwartet Rojas aber auch neue Anregungen für die Robotik: „Die Biene braucht Augen, gegenwärtig sind sie draußen. Sie braucht Kontaktsensoren, gegenwärtig haben wir keine. Am besten wäre, wenn sie selbstständig agieren könnte, davon sind wir weit entfernt, sie braucht noch zu viel Energie. All diese Probleme zu lösen, würde die Mikrorobotik natürlich ‚beflügeln’, um im Bild zu bleiben.“
Weniger possierlich sind unterdessen die Tierchen, die die ETH Zürich vor einiger Zeit weltweit in die Medien gebracht haben: Eine Roboter-Kakerlake imitierte damals so gründlich das Verhalten ihrer natürlichen Geschwister, dass diese sie als Gruppenmitglied akzeptierten. Wer selbst einmal das Schwarmverhalten von Insekten oder Robotern untersuchen will, sollte sich das Formica-Projekt [8] näher ansehen, für das Hard- und Software in Open-Source-Form vorliegen. Die Roboter selbst sind relativ dumm, dafür aber auch für wenige Euro und vor allem schnell herstellbar: Die ersten 25 der Formica-Roboter haben neun Menschen im Laufe eines Tages zusammengelötet.
[2] Fledermausprojekt der US-Army
[6] Projekt der Harvard Universität
[7] Roboter-Bienen der FU Berlin
[8] Open-Source-Projekt Formica (ha)
