Schwarmintelligenz 16.02.2014, 07:00 Uhr

Roboter bauen im Schwarm nach dem Vorbild von Termiten

Mini-Roboter können, ähnlich wie Insekten, nach einem dezentralen Konstruktionsprinzip komplexe Bauten errichten. US-Forscher programmierten simple Roboter mit einfachen Bau-Regeln. Im Schwarm sind diese intelligenter als alleine und können auch komplizierte Konstruktionen bauen.

Ein emsiger Miniroboter ist unterwegs, um Nachschub zu holen.

Ein emsiger Miniroboter ist unterwegs, um Nachschub zu holen.

Foto: Screenshot ingenieur.de/Harvard University

Stigmergie nennt sich ein bewährtes Konzept aus der Natur, das für dezentral organisierte Systeme mit einer großen Zahl von Individuen gilt. Insektenstaaten arbeiten nach diesem Konzept, in dem eine besondere Form der Kommunikation den Erfolg ausmacht. Die einzelnen Insekten kommunizieren nicht direkt miteinander, sondern indirekt, indem sie ihre Umgebung verändern. Auf diese Weise ist es für Termitenkolonien kein Problem meterhohe Bauwerke zu errichten, ohne dass das einzelne Insekt zentrale Anweisungen erhält.

Kirstin Petersen und Justin Werfel von der Harvard University vor einem Termitenbau in Namibia. 

Kirstin Petersen und Justin Werfel von der Harvard University vor einem Termitenbau in Namibia. 

Foto: Screenshot ingenieur.de/Harvard University

Jede Termite handelt individuell und orientiert sich an der Umgebung und an ihren Artgenossen. Nach diesem Vorbild haben Forscher von der Harvard University in Cambridge nun einen Mini-Roboter entwickelt, der sich als Teil eines Schwarms ähnlich verhält wie ein Insekt.

Das intelligente Verhalten der Roboter entsteht in der Gruppe

„Jeder Roboter handelt eigenständig, aber zusammen bauen sie das gewünschte Ziel“, erklärt Justin Werfel, der die Ergebnisse zusammen mit seinen Kollegen jetzt im Fachjournal Science veröffentlichte. „Normalerweise hat man einen Konstruktionsplan und der Vorarbeiter geht hinaus, weist seine Mannschaft an und überwacht, dass sie diesen Plan auch genau ausführen“, sagt Werfel. Im Insektenstaat aber gebe die Königin keine detaillierten Instruktionen. „Keine Termite weiß, was die andere tut oder wie der Stand des Gesamtbauwerks ist.“ Stattdessen definieren Umweltinformationen, einfache Signale zwischen den Mitarbeitern und ein paar Grundregeln, wo die Tiere das Baumaterial absetzen. Jede Termite bekommt mit, wie sich ihre Umwelt durch die Handlungen ihrer Artgenossen verändert und reagiert auf diese Signale.

Fleißige Mini-Roboter bei der Arbeit: Sie kommunizieren nur indirekt miteinander. Sie verhalten sich als Teil eines Schwarms, ähnlich wie Termiten.

Fleißige Mini-Roboter bei der Arbeit: Sie kommunizieren nur indirekt miteinander. Sie verhalten sich als Teil eines Schwarms, ähnlich wie Termiten.

Foto: Screenshot ingenieur.de/Harvard University

Dieses Prinzip haben sich nun Werfel und seine Kollegen als Vorbild genommen, um eine Schar kleiner Konstruktions-Roboter zu entwickeln, die nicht zentral gesteuert werden, sondern auf Basis der Schwarmintelligenz agieren. Die einzelnen Roboter können dabei simpel gestrickt sein – das intelligente Verhalten entsteht im Zusammenspiel der Gruppe. Die Forscher entwickelten dazu Algorithmen, die das Verhalten der einzelnen Roboter über eine Handvoll einfacher Regeln steuern. Zwei Arten von Regeln gibt es: „Die Grundregeln fürs Bauen, die für alle Konstruktionen gleich sind, und die Verkehrsregeln, die bestimmen, was gebaut wird“, sagt Werfel. Die Roboter wissen also, wie das Endergebnis des aktuellen Projekts aussehen soll. Für jede Stelle des Grundrisses ist die Bauhöhe angegeben und die mögliche Bewegungsrichtung. Ein Grundstein dient als Orientierungspunkt.

Die Mini-Roboter könnten in gefährlichen Missionen eingesetzt werden

Jeder einzelne Roboter läuft um die Struktur herum, bis er etwas entdeckt, was er tun kann. Dann lädt er seinen Baustein an der Stelle ab, die laut Plan bebaut werden soll und an der noch kein Stein liegt. Dafür benötigen die kleinen Baumaschinen keine zentrale Steuerung, sondern nur einen Abgleich zwischen ihrem Plan und der Situation auf der Baustelle. Die Roboter sind rund 20 Zentimeter lang, haben gezackte Räder und werden von handelsüblichen Motoren angetrieben. Sie können vorwärts und rückwärts gehen, Treppen steigen und die Bausteine aufnehmen, tragen und einsetzen. Mit Infrarotsensoren registrieren sie Schwarzweißmuster auf dem Boden und an den Bausteinen, ein Beschleunigungsmesser zeigt ihnen beim Klettern den Neigungswinkel an. Ultraschallsensoren liefern ihnen Informationen über andere Kollegen auf der Baustelle und über ihren Abstand zum Grundstein. Auch Fehler könnten die Bautrupps erkennen und korrigieren, sagen die Wissenschaftler.

Großaufnahme Mini-Roboter:  eine simple Konstruktion – das intelligente Verhalten entsteht im Zusammenspiel der Gruppe. 

Großaufnahme Mini-Roboter:  eine simple Konstruktion – das intelligente Verhalten entsteht im Zusammenspiel der Gruppe. 

Foto: Screenshot ingenieur.de/Harvard University

Ihre einfache Konstruktion und Robustheit prädestiniert die Roboter für Arbeiten in gefährlichem oder unwegsamem Gelände. Denn auch wenn einzelne Roboter ausfallen, wird dadurch nicht die gesamte Mission gefährdet, sondern höchstens verlangsamt. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten solche Schwarm-Roboter bei einer drohenden Überschwemmung helfen, Sandsäcke oder Dämme aufzuhäufen oder sogar einfache Konstruktionsaufgaben auf dem Mars übernehmen.

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