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Wissen & Umwelt

Evolution macht Roboter kreativ

Die "Evolutionäre Robotik" hält Roboter wie Nutztiere. Forscher züchten sie, bis sie ein erwünschtes Verhalten zeigen. Durch Software-Austausch wächst dann eine neue Generation heran, die Aufgaben besser lösen kann.

Stuart vom Roboter-Fußballteam B-Human schießt im Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen (Foto: Carmen Jaspersen/ dpa Bildfunk)

Roboter können nur auf das reagieren, was sie erwarten

Eigentlich sollte der Haushaltsroboter die Puppe erkennen und ihr ein Glas Wasser reichen. Statt dessen rollt das Gerät an der Figur vorbei als wäre sie Luft. Solche und ähnliche Fehlschläge sind regelmäßig bei einem der vielen Wettkämpfe zu beobachten, bei denen alljährlich Fußball- Bergungs- und Haushaltsroboter gegeneinander antreten. Was als Leistungsschau gedacht ist, endet regelmäßig als Pannenparade.

Porträt des Experten für evolutionäre Robotik und Roboter-Schwarmintelligent am Institut für Parallele und Verbundene Systeme der Universität Stuttgart Prof. Paul Levi (Foto: Levi)

Paul Levi kreuzt Roboter-Gene um die Züchtungen leistungsfähiger zu machen

Komplexe Software als Problem

Programmierer von Robotersoftware können nicht an jede Situation denken, die in einem Haushalt oder im Laufe eines Fussballspiels auftauchen könnte. Wo Menschen – je nach Situation – kreativ entscheiden können, was das richtige Verhalten ist, sind Roboter auf das angewiesen, was ihnen die Informatiker in ihre Software programmiert haben. Unsicher bleibt dabei, ob sie die typischen Spiel- oder Haushaltssituationen zunächst richtig erkennen und ob sie dann daraus die richtigen Schlüsse ziehen und angemessen reagieren.

All dies erfordert von der Hard- und -Software eine äußerst komplexe Koordinationsleistung. Es gilt, die Außenwahrnehmung, eigene Bewegungsabläufe und ein richtiges Situationsverständnis miteinander zu koordinieren. Weil Softwareentwickler hier regelmäßig an ihre Grenzen stoßen, setzt der Informatiker Paul Levi von der Universität Stuttgart auf eine gänzlich neue Strategie, um die Leistung der Roboter zu verbessern: Die Prinzipien der Evolution.

Evolution als Lösung

Seinen Ansatz erläutert er am Beispiel eines Roboters, der nach Käse suchen soll. Wenn dessen Überleben davon abhängt, dass er seine Nahrungsquelle gut erriechen kann, so Levi, müsste er den Informationen seiner Kamera oder dem Temperaturmesser weniger Beachtung schenken als seinem Geruchssensor.

Roboter des Instituts für Parallele und Verbundene Systeme der Universität Stuttgart. Mit diesen Robotern werden Versuche der evolutionären Robotik und der Schwarmintelligent von Robotern durchgeführt. (Foto: Dr. Serge Kernbach, Universität Stuttgart)

Mit diesen Robotern der Universität Stuttgart führen Forscher Versuche der evolutionären Robotik durch

Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts "Replicator", an dem Levis Institut beteiligt ist, überträgt man das Evolutionsprinzip folgendermaßen auf die Robotik: Populationen von bis zu hundert Robotern bekommen eine Aufgabe wie die Käsesuche. Während sich in der Biologie jene Gene durchsetzen, die diese Aufgabe am besten erfüllen, ist es bei den Robotern die Software. Denn so wie die Gene in der Natur variieren, weist auch die Software jedes einzelnen Roboters individuelle Unterschiede auf. Auf diese Weise entstehen einige Softwarevarianten, die erfolgreicher sind als andere, weil sie z.B. stärker auf den Geruchssensor als auf die Kamera reagieren.

Zwei Roboter (Foto: DW)

Künstliche Befruchtung per Software-Austausch

Robotersex zur Gen-Weitergabe

Roboter, die besonders schnell zum Käse finden, "paaren" die Forscher dann mit anderen, ebenfalls erfolgreichen Robotern. Einige Forscher sprechen hier von "Sex". Doch im Falle der Roboter, sagt Levi, hat der Begriff Sex eine weniger aufgeladene Bedeutung, ist er doch bloß ein Informations-, genauer gesagt ein Programmaustausch.

Beim Software-Zeugungsprozess wird die Vielzahl der elterlichen Programmabschnitte, die die Bewegungsabläufe oder Wahrnehmung koordinieren, wie bei einem Kartenspiel gemischt. Die Programmabschnitte werden dann an die Roboterkinder individuell zugeteilt. Doch so unterschiedlich diese Mischungen jeweils sind, eint die neue Roboterfolgegeneration, dass sie – ganz wie ihre Eltern - ihre Umwelt tendenziell stärker mit dem Geruchssensor wahrnehmen.

Dabei imitiert der Zeugungsprozess, der die elterlichen Programmabschnitte neu zusammensetzt, die Natur noch in einem weiteren Punkt: Gelegentlich fügt er kleine Mutationen ein, also Eigenschaften, die weder der Mutter noch dem Vater zu eigen waren.

Ein Sprachroboter auf der Cebit 2011 (Foto: Nicolas Martin/DW)

Willkürliche Mutationen erleichtern die Anpassung an neue Situationen

Veränderungen nach dem Zufallsprinzip

So können einzelne Roboter entstehen, die z.B. unerwartet stark auf den Wärmesensor reagieren. Als unversehens sinnvoll könnte sich dies erweisen, würde die Nahrungsquelle ihre Eigenschaften ändern und neben Geruch auch Wärme abgeben. Bei entsprechenden Umwelteinflüssen können solche zufälligen und zunächst unscheinbaren Mutationen zum Ausgangspunkt überraschender Entwicklungen werden, ohne dass dafür ein bewusst planenden Ingenieur nötig gewesen wäre. Erst durch diese Evolutionsstrategie, die die Möglichkeit des Scheiterns einer Mutation bewusst in Kauf nimmt, wurde die Kreativität der Evolutionsgeschichte möglich, sagt Paul Levi.

Nicht nur in der Natur, auch bei den Robotern funktionierte dieses Prinzip. Schon nach fünf Generationen, also dem fünfmaligen Mischen und Weitergeben besonders erfolgreicher Programmvarianten, steigerte sich die Suchleistungen der Roboter deutlich. Dann könnte vielleicht auch das Glas Wasser die Puppe erreichen.

Autor: Nils Michaelis
Redaktion: Fabian Schmidt