Hightech im Schatten des Lübecker Holstentores
Im hohen Norden von Deutschland forschen junge Akademiker an einem bewegenden Projekt: „Oscar“ lernt an der Uni zu Lübeck das Laufen, und zwar nach Konzepten und Prinzipien der Natur – Organic Computing nennt sich das. Der Roboter mit den sechs Beinen lässt sich auch nicht aus dem Takt bringen, wenn ihm ein Bein einfach weggeklappt wird.“Oscar“ ist fehlertolerant und steht für den Versuch, eine sich selbstorganisierende, selbstheilende und selbstoptimierende Kontrollarchitektur für einen Roboter zu entwickeln. VDI nachrichten, Düsseldorf, 23. 1. 09, cha
Lübeck, Heimat der „Buddenbrooks“ von Thomas Mann und Schauplatz des gleichnamigen Kostüm-Films von Heinrich Beloer, der zurzeit die Kinokassen klingeln lässt. Keine 20 Minuten entfernt vom Holstentor, dem Wahrzeichen Lübecks, verwandelt sich die beschauliche Hansestadt in einen Hightech-Standort.
In den Laboren des Instituts für Technische Informatik wird an speziellen Robotern gefeilt, die mit normalen Industrierobotern wenig gemeinsam haben. Dafür ist Adam El Sayed Auf mitverantwortlich. Der Diplom-Informatiker (29) ist Mitglied der Projektgruppe Orca (Organic Robotic Control Architecture), einem Projekt, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt. Es handelt sich dabei um eine Softwarearchitektur, die die Basis für die verlässliche und einfache Programmierung des Roboters ist.
Als El Sayed nach Lübeck kam, gab es zwar schon die Maschine, den Roboter, doch das „Innenleben“ der Laufmaschine ist zu einem großen Teil dem Wissen des Doktoranden zu verdanken. „Wir haben gesehen, dass Fehlermodelle bei ,Oscar“ sehr umfangreich werden würden, deshalb haben wir versucht den umgekehrten Weg zu gehen. Dass wir nämlich kein Fehlermodell vorgeben, sondern das Normalverhalten überwachen. Daher haben wir uns am biologischen Vorbild orientiert. Wie machen das Lebewesen, wie bewegen die sich fort? Und da kommt Adam El Sayed Auf ins Spiel“, erklärt Prof. Erik Maehle, Leiter des Instituts für Technische Informatik.
Bereits an der Uni Bielefeld lernte El Sayed Auf, wie Insekten laufen und wie sich dieses Prinzip auf Algorithmen und die Welt des Computers übertragen lässt. Der Diplom-Informatiker erklärt, dass Biologen Vorarbeit geleistet hätten. Sie hätten schon in den 80er-Jahren an Stabheuschrecken mittels hochauflösender Kameras erforscht, wie die Bewegung funktioniert. Sie hätten sich gefragt, ob es denn sein kann, dass die Insekten wirklich berechnen, wohin sich das Bein bewegt, und das alles koordinieren – mit den paar Neuronen, über die sie verfügen. „Das sind ja nicht gerade triviale Berechnungen. Die Biologen sind dann schnell darauf gekommen, dass dies dezentral funktioniert und haben dann weiter geforscht, wie die Kommunikation zwischen den Beinen erfolgt, damit ein vernünftiges Laufmuster entsteht und nicht plötzlich beispielsweise alle Beine in der Luft sind.“
Adam El Sayed Auf sitzt zu diesem Zweck an seinem Computer und schreibt einfache Befehle, die ein Bein schweben, stemmen, schwingen oder auf den Boden aufsetzen lassen und dem benachbarten Bein mitteilen, dass es genau zu diesem Zeitpunkt das tun soll, was zum Laufen nötig ist.
„Wir sind eine von sehr wenigen Gruppen“
Der Informatiker und seine Mitstreiter machten eine Entdeckung: Auch wenn die Schwingphase variiert oder die Stemmphase verkürzt ist, entstehen unterschiedliche Gangmuster, die dem entsprechen, was in der Natur vorzufinden ist. So kann „Oscar“ sich auch fortbewegen, wenn „Vater“ Adam El Sayed Auf ein Bein wegklappt, ohne dem Roboter das explizit „mitzuteilen“. Die Maschine muss dann die Nachbarschaftsbeziehungen der Beine ändern und tut dies auch, der Roboter ist fehlertolerant.
In der Forschungslandschaft in Deutschland ist dieser Ansatz etwas Besonderes: „Wir sind eine von sehr wenigen Gruppen, die versuchen, Organic Computing mit dem Feld Fehlertoleranz zu verbinden und das auf die Robotik anzuwenden“, sagt El Sayed Auf. Mittlerweile gibt es „Oscar 3“, die Maschine weist einige neue Features auf: Sie passt sich an Hindernisse an, berechnet, wie viel Strom sie auf welchem Bein verbraucht, gleicht den Stromverbrauch auf den Beinen aus, kurzum, sie optimiert sich selbst. Dieser „Oscar“ gibt sozusagen Pfötchen – er lässt sich ziehen und läuft normal weiter, gibt nach. „So spart der Roboter extrem viele Berechnungen, die eigentlich gemacht werden müssten, um bei so einer geschlossenen kinematischen Kette von 18 Servos zu schauen, welches Gelenk wie bewegt werden muss. An diesem Thema sind wir dran“, sagt Adam El Sayed Auf.
Dann zeigt er auf ein weiteres Gerät mit dem Aussehen einer Rakete.“Monsun“ ist ein autonomer Kleinroboter für die Unterwasserwelt, der irgendwann, wenn alles funktioniert, im Schwarm Umwelt-Monitoring-Aufgaben erfüllen soll. Was als Praktikumsprojekt vor drei Jahren begann, soll nach Abschluss der Forschungsphase dabei helfen, Gewässer gemäß EU-Richtlinie zu untersuchen. „Im Idealfall wird es so sein: ,Monsun“ wird über einen Mikrocontroller gesteuert, der autonomes Ausführen einfacher Verhalten erlaubt“, sagt Informatikstudent Christoph Osterloh. An der Oberfläche können über Funk Verhaltensparameter des Roboters angepasst werden. Zu der Sensorik gehören unter anderem Licht- und Ultraschallsensoren für Entfernungsmessung. Die neue Generation soll „Oscar“ nacheifern und Fehlertoleranz aufweisen.
Eines wird bei allen Projekten deutlich: „Wer hier nicht Ingenieurdenken mitbringt, wer es nicht fertigbringt, mal ein Kabel abzuisolieren, ist hier falsch“, sagt Marek Litza, ein Kollege von Adam El Sayed Auf. CLAUDIA HANTROP
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