AUS DEM SPIEGEL
Ausgabe 6/2009

Computer Magie des schlauen Sandes

US-Forscher arbeiten an winzigen Robotern, die sich millionenfach zusammenschließen, um beliebige Objekte detailgetreu nachzubilden - Sitzmöbel, Automodelle oder sogar Menschen. Ziel des verwegenen Projekts: Die Materie selbst soll programmierbar werden.

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Zu sehen ist ein Würfel, nicht weiter verdächtig. Nur eines fällt auf: Der kantige Klotz scheint aus einer Unzahl winziger Kügelchen zu bestehen.

In Wahrheit beginnt gleich ein Schauspiel von seltener Güte: Hier sind eine Million Roboter versammelt, und sie warten auf das Kommando von Seth Goldstein.

Der Forscher drückt auf den Startknopf und tritt zurück. Sofort geraten die glatten Würfelflächen in Wallung, die Kügelchen krabbeln übereinander. Ruckelnd wechseln sie ihre Positionen, nach allen Seiten streben sie auseinander. Bald ist nur noch ein wimmelnder Klumpen zu erkennen, der zügig in die Länge wächst, eine Art Schalltrichter stülpt sich aus, gegenüber tritt ein Mundstück hervor, drei Ventile erscheinen. Und fertig ist die Trompete.

Schauplatz der Verwandlung ist ein Labor an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. Zangen und Schraubenzieher liegen herum, dazwischen Teile von unbegreiflichen Apparaten, die einem ausgeschlachteten Ufo entstammen könnten. Hier arbeitet der Computerforscher Goldstein mit seinen Leuten an einem wahrhaft verwegenen Werk, geduldig und gegen alle Wahrscheinlichkeit: "Am Anfang dachten alle, wir spinnen."

Was Goldstein den Zweiflern heute vorführen kann, ist nur eine Simulation am Monitor, doch läuft sie wirklichkeitsgetreu bis ins Detail: Jedem einzelnen Kügelchen wohnt sein eigenes kleines Hirn inne, mit dem es selbständig seinen Weg sucht, bis die Trompetengestalt vollendet ist.

Und das ist erst der Anfang, wenn es nach Goldstein geht. Echte Kügelchen will er mit winzigen Prozessoren ausstatten, die ihre Bewegungen steuern. Roboter sollen entstehen, klein wie Sandkörnchen, die vorankommen, indem sie an ihren Nachbarn entlangklettern.

Goldstein ist guten Mutes. Der Tag wird kommen, glaubt er, da hat der Mensch einen Sack voller schlauen Allzwecksandes in der Ecke liegen. Auf Wunsch schließen sich die Roboter dann etwa zu einem Pokertisch zusammen, und nach dem Spiel gehen sie dienstfertig zu Boden, um die Form eines Gästebetts anzunehmen. Und wer weiß, eines Tages entsteigt dem Sack ein lebensechter Gesell nach Art des mythischen Golem, geht leise rasselnd auf seinen Schöpfer zu und reicht ihm mit einer Verbeugung die Hand.

"Die Simulation beweist, dass wir die Steuerung beherrschen", sagt Goldstein. "Das war unsere größte Sorge."

Anfangs schien es schier unmöglich, eine Schar von Millionen (und bald vielleicht gar Milliarden) zu dirigieren. Der Durchbruch kam, als die Forscher im Reich der sozialen Insekten nach Vorbildern suchten. Jedes Kügelchen folgt nun einem einfachen Programm, ähnlich dem Verhalten einer Ameise. Und wie das Insekt kommuniziert es beständig mit den Mitkugeln. Fast ist es, als betrillerten die Roboter einander über ihre elektrischen Kontakte.

So eine koordinierte Massenaktion von Robotern hat es noch nicht gegeben. Andere Forscher bauten gelegentlich ein paar Dutzend Module, die sich dann etwa zu Schlangen gruppierten und ungelenk über den Boden krauchten. Niemand wäre auch nur annähernd auf den Einfall gekommen, eine Million Winzlinge zu verkoppeln.

"Das ist wohl das Verrückteste, was bei uns gerade erforscht wird", sagt Randy Bryant, Dekan der Fakultät für Computerwissenschaften, nicht ohne Stolz. Die Carnegie Mellon University, eine legendäre Roboterschmiede, hat immer schon Abenteurer angezogen. Doch Würfel, die zu Trompeten werden, erregen auch hier noch Aufsehen.

Goldstein hat eine Gruppe von rund 20 Köpfen um sich geschart, Kollegen darunter, Studenten, dazu etliche Forscher von Intel. Der Chipgigant betreibt in einem Gebäude gleich nebenan auf dem Campus weitläufige Labore. Dort wird ergründet, wie die Zukunft des Computers aussehen könnte. Die Firma will in der Lage sein zu liefern, sollte die Welt eines Tages Billigchips für Abermilliarden schlauer Sandkörner begehren.

Die Forscher machen nicht nur Versuche im Simulator, sie haben auch schon mit der nötigen Hardware begonnen. Allerhand Fragen sind da noch zu klären: Wie lässt sich ein Sack voller Roboter mit Strom versorgen? Was ist die beste Technik der Fortbewegung? Die Kügelchen müssen stark aneinander haften und dennoch rasch wieder freikommen; nur so sind die Gebilde, die sie schaffen, zugleich in sich beweglich und stabil.

Die neuesten Einfälle werden an selbstgebastelten Prototypen erprobt. So entstanden im Laufe der Zeit große heliumgefüllte Ballons, Würfel mit ausfahrbaren Greifern oder auch Zylinder, die mit Elektromagneten bekränzt sind. Wenn diese Magneten gezielt ringsum an- und ausgeschaltet werden, wickeln sich die Zylinder ruckelnd umeinander - das ist die Grundidee der Fortbewegung. Für die winzigen Roboter, die geplant sind, wäre die Magnetkraft allerdings zu plump; die Forscher wollen stattdessen elektrostatische Ladungen einsetzen.

Noch sind die Apparate eher grob und ungeschlacht; es kommt vorerst nur aufs Prinzip an. Aber die Miniaturisierung schreitet bereits voran. Im Labor erproben sie jetzt ein mit Elektronik ausgekleidetes Röhrchen von einem Millimeter Durchmesser; geliefert hat es die Erfurter Firma X-Fab.



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