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Wissen & Umwelt

Gemeinsam stark!

So wie viele Bienen einen Bienenschwarm bilden, sollen sich in Zukunft auch autonome Miniroboter zu einer Art Großroboter zusammentun. Als Einheit sollen sie gemeinsam Aufgaben lösen - und das ohne Hilfe des Menschen.

Angedockte Miniroboter (Foto: Dr. Serge Kernbach, Universität Stuttgart)

Zahlreiche Miniroboter, aneinander angedockt

Es ist der größte anzunehmende Unfall, der einem Raumfahrtprogramm zur Erforschung fremder Planeten widerfahren kann: Klemmt der Bewegungsarm eines Erkundungsroboters oder fällt dessen Funkmodul aus, können aufwändige Raumfahrtmissionen an kleinen technischen Problemen scheitern. Weil im All bekanntlich kein Pannendienst patrouilliert, verfolgt eine Gruppe von Wissenschaftlern einen ehrgeizigen Plan: Ein Roboter, der sich selbst reparieren kann, weil er sich aus vielen kleinen Minirobotern zusammensetzt, die sich miteinander wie Legosteine verbinden können. Geht einer der vielen Miniroboter kaputt, genügt es, ihn durch einen funktionierenden zu ersetzen.

So einfach der Grundgedanke ist, so aufwändig ist dessen praktische Umsetzung. Bevor die Roboter kooperieren, müssen sich erst einmal Robotikexperten, Mechatroniker und Informatiker sowie Biologen, Zoologen und Genetiker zusammensetzen. Denn nur gemeinsam können sie Antworten auf die anstehenden Fragen finden.

Andocken zum Großroboter

Das erste Problem ist das Aneinanderdocken der Miniroboter. Unter der Leitung des Informatikers Paul Levi wurde am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Stuttgarter Universität ein erster Prototyp entwickelt, der dazu in der Lage ist. Der neue Miniroboter gleicht auf den ersten Blick einem weißen Kunststoffwürfel von zehn Zentimetern Kantenlänge. Angetrieben von einem Elektromotor, bewegt er sich auf kleinen Rollen.

Roboter (Foto: Dr. Serge Kernbach, Universität Stuttgart)

Mit diesen Robotern werden in Stuttgart Versuche der Schwarmintelligenz durchgeführt

Besonders auffällig an ihm sind die oben und seitwärts angebrachten Andockverbindungen vom Durchmesser eines größeren Geldstücks. Beim Andockvorgang müssen viele Sensoren exakt zusammenarbeiten, erklärt Levi. Mit seinen Kameras und Infrarotsensoren erkennt ein Roboter andere Roboter und deren Abstand. Während des Zusammendockens müssen dann Kräfte und Drehmomente gemessen und abgestimmt werden.

Schwierige Detailfragen

Dabei ist die Mechanik des Dockens noch eine vergleichsweise einfache Aufgabe. Weit schwieriger wird es, wenn miteinander verbundene Miniroboter zusammen als Großroboter funktionieren sollen. Dario Floreano, Robotik-Pionier an der Polytechnischen Hochschule im schweizerischen Lausanne, nennt eine einfach anmutende Aufgabe: Zwanzig Miniroboter sollen sich zunächst zu einer Schlange verbinden. Dann sollen das vordere und hintere Ende der Schlange zueinander finden.

Wenn es keinen Ingenieur gibt, der dies als Beobachter von außen koordiniert, müssen die Miniroboter das Problem selbständig bewältigen – jeder für sich. Dazu müssen sie zunächst ihre jeweils eigene Position und dann die der anderen Roboter bestimmen können, um sich langsam einander anzunähern.

Hierarchie oder Autonomie

Ronald Thenius von der österreichischen Universität Graz erläutert zwei unterschiedliche Strategien, die Miniroboter einsetzen können, um sich zu einem Großroboter zusammenzusetzen. Beim hierarchischen Ansatz, ähnlich der Befehlskette beim Militär, gibt es einen Zentralroboter, der die anderen Miniroboter koordiniert und befehligt.

Bienen auf einer Wabe (Foto: Bilderbox)

Vorbild Bienen

Dem steht ein quasi demokratischer Ansatz entgegen. Dabei gibt man den einzelnen Minirobotern eine Reihe von Regeln mit auf den Weg, die sie anschließend weitgehend autonom ausführen können. Thenius verdeutlicht diese Strategie am Beispiel eines Bienenschwarms. Auch hier gibt es keine Zentrale, die die Gesamtheit des Schwarms überblickt und in der Lage wäre, Befehle zu geben. Stattdessen erkennt jede Biene nur solche Bienen, die sich in ihrer unmittelbaren Umgebung befinden und kooperiert mit ihnen. Damit der Schwarm funktioniert, reicht es beispielsweise aus, wenn Honig sammelnde Bienen der Regel folgen, ihre Beute mit denen zu teilen, die den Nachwuchs aufziehen.

Welche Regeln natürlicher Schwärme könnten also Gebrauchsanweisungen liefern, damit einzelne Roboter eine sinnvoll agierende Einheit bilden? Ein Vorbild könnte das Heranwachsen eines Embryos aus einer befruchteten Eizelle sein, meint Thenius. Denn wenn sich die Embryozellen teilen, wachsen einige zu Augen, andere zu Armen oder Organen heran. Wenn man die Prozesse der Zellteilung gut genug versteht, hofft Thenius, könnte man diese in eine Software für Roboter übersetzen. Diese Software würde den Minirobotern bestimmte Regeln mitgeben, die bestimmen, ob ein Miniroboter innerhalb des Großroboters für die Wahrnehmung zuständig ist oder für Bewegungen, das heißt, ob er seine Sensoren einsetzt oder als Gelenk funktioniert.

Ob das Zusammenspiel von Biologie und Robotik am Ende in der Praxis tatsächlich funktioniert, soll sich in zwei Jahren zeigen. In einem Großversuch wird die Oberfläche eines fremden Planeten nachgebaut. Auf ihm sollen sich hundert Roboter hundert Tage lang zu verschieden geformten Großrobotern aneinanderdocken. Wohlgemerkt: Ohne Eingreifen der Wissenschaftler. Menschen sind dann nur als Zuschauer zugelassen.

Autor: Nils Michaelis
Redaktion: Fabian Schmidt