Roboter lernen Greifen: Ist das zu fassen?

Von Christoph Seidler, Bielefeld

Viele Jobs, die wir mit unseren Händen erledigen, kommen uns simpel vor. Doch für Roboter sind es Herkulesaufgaben. Neuroinformatiker arbeiten deswegen daran, ihnen die menschliche Grifftechnik beizubringen - und müssen die Maschinen vor ihrer eigenen Kraft schützen.

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Erst zögern die schwarzen Finger, dann zittert die Maschinenhand als gehörte sie einem Tremorpatienten. Und immerzu ist ein vernehmliches Surren zu hören, das entfernt an einen Modellbauhubschrauber erinnert. Kurz hat man den Impuls, dem armen Ding einfach zu helfen.

"Ist doch nur ein Glas", möchte man sagen. Und: "Kann doch nicht so schwer sein, da den Deckel abzuschrauben!" Von wegen. Wenn die Maschine antworten könnte, würde sie einem vermutlich genervt entgegenrotzen: "Ist es eben doch!" Für die beiden wuchtigen Roboterarme, die Christof Elbrechter und seine Kollegen in ihrem Labor an der Universität Bielefeld wieder und wieder vollautomatisch zupacken lassen, ist der Job eine sichtliche Herausforderung.

Das Glas ist schwarz beklebt, um störende Reflexionen zu vermeiden. Früher war einmal eine Paste drin, die sich manche Menschen aufs Frühstücksbrot schmieren. Jetzt steht "UBI" auf dem Deckel, das Kürzel der Hochschule. Der Roboter muss den Behälter mit Hilfe von Kameras anpeilen. Dann soll er ihn mit einer Hand greifen, mit der anderen Hand festhalten, den Deckel mehrfach mit genau dem richtigen Maß an Kraft drehen und dann vorsichtig abheben. Und zwar möglichst ohne das Ding fallen zu lassen.

Manchmal ist genau das ganz schön viel für so eine Maschine - selbst wenn insgesamt 30 Programme auf fünf High-End-Computern den scheinbar so simplen Prozess permanent überwachen und steuern. Nach einigen Anläufen gelingt das Werk dann doch. Elbrechter und seine Kollegen sind erleichtert, zumal gerade der Chef das Labor betreten hat: Helge Ritter ist Leibniz-Preisträger und Koordinator des Bielefelder Forschungsverbunds Citec ("Cognitive Information Technology Center of Excellence"). "Ein kleines Kind lernt viele Jahre, bevor es etwas kann. Roboter tun sich mit dem Lernen nicht leichter", sagt er.

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Technik: Händchen halten mit Robo-Brüdern
Die Suche nach den Geheimnissen der menschlichen Hand ist nur eines der Projekte, das in Bielefeld vorangetrieben wird. Und auch andere Forscherteams, etwa in München, Berlin und Karlsruhe mühen sich an ähnlichen Aufgaben. Dabei finden sie jeden Tag aufs Neue heraus, dass für uns vermeintlich einfache Tätigkeiten für Maschinen eine echte Herausforderung sein können. Das liegt daran, dass die Roboter Schwierigkeiten haben, wenn die Welt um sie herum jedes Mal ein wenig ein wenig anders aussieht.

Doch genau das tut sie normalerweise.

So steht eben das Glas jedes Mal an einer anderen Stelle des Tisches, mal mit der breiten Seite nach vorn, mal mit der schmalen. Und seit einem Software-Update vor ein paar Tagen haben die sonst so zielsicheren Roboterhände nun Probleme beim Zupacken. In ihnen beugen und strecken sich je 40 mit Druckluft betriebene Muskeln. "Die menschliche Hand ist ein perfektes Werkzeug, für das die Evolution lange gebraucht hat. Davon sind wir weit, weit entfernt", seufzt Forscher Elbrechter.

"Der Roboter könnte sich leicht kaputt machen"

Menschenähnlich - anthropomorph - sollen die Roboter werden, an denen zahlreiche Forschergruppen weltweit tüfteln. Der Weg zum Bruder Android ist aber noch weit und erfordert viele kleine Schritte. Bis jetzt werkeln Industrieroboter normalerweise in Umgebungen, die genau an ihre Bedürfnisse angepasst sind - und damit vollkommen überraschungsfrei. Die Robotikexperten in Bielefeld und anderswo träumen aber von Maschinen, die Menschen in ihrem täglichen Lebensumfeld begleiten. Und ein chaotisches Wohnzimmer sieht eben ein bisschen anders aus als eine Fabrikhalle.

Um Roboter hier erfolgreich agieren zu lassen, müssen die Forscher eine vollkommen andere Perspektive einnehmen. Sie müssen ihre Schützlinge optimieren für eine Welt, in der alle Gegenstände für die Benutzung durch den Menschen geschaffen sind. Die Maschinen müssen über ähnliche Hilfsmittel verfügen wie wir, wenn sie bestehen sollen: Es geht also im Fall der Bielefelder Forscher nicht um einen tumben Greifarm, wie er im Kirmesautomaten nach Plüschherzen stochert. Es geht um eine sensible Roboterhand, die unserer möglichst ebenbürtig ist.

Unter Scheinwerferbeleuchtung üben die Roboter mit ihren Kunsthänden deswegen Alltagsaufgaben wie eben das Aufschrauben des Glases. Der wohl wichtigste Job der Forscher ist es dabei, die fragilen Finger vor sich selbst zu schützen. Eine Maschine hat schließlich kein Schmerzempfinden: Sie weiß nicht, wie der Mensch, wann sie aufhören muss. Also muss diesen Job ein Stück Software übernehmen. "Der Roboter könnte sich sonst leicht kaputt machen, weil die Arme extrem stark sind", erklärt Christof Elbrechter.

Fragile Objekte in Roboterpranken

Nur einen Raum weiter arbeitet Matthias Schöpfer daran, die Roboterpranken in Zukunft noch sensibler zu machen. Sein wichtigstes Werkzeug sind zwei Arme mit jeweils sieben Gelenken, wie man sie vielleicht schon einmal am Blechkameraden "Justin" des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt gesehen hat. An ihren Enden hat Schöpfer zwei rechteckige Kästchen fixiert. Darin finden sich hochsensible, von Bielefelder Kollegen entwickelte Drucksensoren. Sie sorgen dafür, dass die Arme selbst fragile Objekte wie Plastikbecher nicht zerbrechen - aber andererseits genug Kraft ausüben, um sie nicht fallen zu lassen.

Immer wieder prüfen Sensoren dazu, wie fest die Roboterarme zupacken müssen - mit mehr als 1000 Messungen in der Sekunde. Von oben lässt Schöpfer Glasmurmeln in den vom Roboter gehaltenen Becher fallen. Die Elektronik registriert die Gewichtszunahme und lässt die Maschine entsprechend kraftvoller zupacken. Auf einem Computerschirm zeigen zwei Comicmäuse, wie gut das klappt. So lang beide Figürchen blau sind, ist alles im Lot. Bekommt eine einen roten Kopf, dann droht der Becher ins Rutschen zu geraten.

"Wir lernen hier, für den Roboter unbekannte Sachen zu greifen", sagt Schöpfer. Und das funktioniert eigentlich schon recht gut, wie auch andere Projekte beweisen - zum Beispiel der Roboterarm, für den die Esslinger Firma Festo und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik in Stuttgart im vergangenen Jahr den Deutschen Zukunftspreis einsackten. Oder der "Universal Gripper", ein an der Cornell University in den USA entwickelter Greifarm. Hier packt der Roboter mit Hilfe eines Latexluftballons zu, der mit Kaffeepulver gefüllt ist. Aus dem wird dann die Luft gesaugt - und die Maschine hat einen sensiblen und doch festen Griff.

Schrauben mit dem Leuchthandschuh

Doch am Ende müssen die Forscher doch eine fundamentale Frage beantworten, wenn sie die perfekte Roboterhand mit dem nötigen Fingerspitzengefühl bauen wollen: Was tun wir Menschen eigentlich genau, wenn wir greifen? In Bielefeld arbeitet Daniel Dornbusch daran, das herauszubekommen. Der Doktorand steht im dritten Stock des Citec-Gebäudes im sogenannten Manual Interaction Lab. Seine Rechte steckt in einem Handschuh mit leuchtenden Punkten. Und auch Dornbusch schraubt wie sein Maschinenkamerad im Erdgeschoss ein Glas auf - immer und immer wieder.

Die 14 Spezialkameras eines sogenannten Motion-Tracking-Systems zeichnen seine Bewegungen auf und zerlegen sie in kleine, computerlesbare Teile. Das Verfahren kommt auch bei Animationsfilmen zum Einsatz. Dort werden Schauspieler gefilmt, deren Bewegungen dann animierten Figuren Leben einhauchen.

"Hier geht es im wahrsten Sinne darum, den Menschen auf die Finger zu schauen", sagt Dornbusch. Wann kommt welches Gelenk zum Einsatz? In welchem Winkel wird es gebeugt? Wie werden die Bewegungen der Finger untereinander koordiniert? "Wir nutzen nicht alle möglichen Gelenkwinkel aus, sondern nur bestimmte Konstellationen", sagt Dornbusch. Doch welche sind das genau? Und in welcher Situation?

Die Maschinen lernen das gerade, in Bielefeld und anderswo. Der Roboter im Erdgeschoss nutzt zum Beispiel die von menschlichen Probanden gesammelten Daten für seine Übungshandgriffe. Doch die haben, wie gesagt, noch einiges Optimierungspotential. "Die Forschung zeigt, was für Wunderwerke wir Menschen sind", bilanziert Citec-Chef Ritter. "Heutige Roboterhände kommen dem Geschick unserer Hände noch nicht annähernd gleich."

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1. Sehr interessant
diamorphin 11.08.2011
Bei sowas wird einem wieder mal bewusst, wie komplex das Leben an und für sich ist - alleine schon darum, wenn es gilt, ein Deckel abzuschrauben. Die Forscher scheinen das alles sehr realistisch zu sehen und sind nicht abgehoben im Sinne von "Wir programmieren hier den Cyborg der Zukunft! Arnie, der Terminator, ist nur eine Frage der Zeit!" Das erinnert mich auch wieder daran, wie es Forscher bislang nicht vollständig gelungen ist, Spinnfäden herzustellen. Was meine kleine Spinne in ihren Terrarium jeden Tag macht, stellt die Forscher trotz High-Tech immer noch vor ein grosses Problem.
2. Geldverschwendung
wirrpool 11.08.2011
Fein, wieder eine weitere innovative Idee, um die Menschheit vorran zu bringen. Oder doch die erste? Auf jeden Fall ist sie brandneu und hochspektakulär! Ironie bei Seite. Gut und in gewissem Sinne als "natürlich" empfinde ich die industrielle Entwicklung von Robotern: zielgerichtet, für einen konkreten Einsatz, gebaut unter dem Dach der freien Marktwirtschaft. Maschinen, die den Mars besiedeln, Autos bauen, Minen entschärfen. All die Geräte stehen für einen produktiven Zweck: die Förderung des gesellschaftlichen Wohlstandes. Für sehr bedenklich halte ich hingegen die ständigen Pseudo-Bastelprojekte (Forschung möchte ich nicht nennen, was im Wesentlichen nur Auslebung des männlichen Spieltriebs ist) an Hochschulen. Für die jeweilige Einrichtung eine tolle Sache. Sie erlangt Gelder und Bekanntheit, z.B. durch diesen Artikel. Ein kleines Baby zum Anschauen und Anfassen wird auch geboren und trägt den Nachnamen der Universität als Werbung hinaus in die Welt. Die Forschung erfindet gleichzeitig ein paar Arbeitsplätze. Und, ach ja, fast hätte ich vergessen, dass die Bastelei vielen Menschen zudem ettliche Doktortitel hinterherschmeißt. Andere müssen dafür etwas zum Wohle der Allgemeinheit leisten; hier wird das öffentliche Geld einfach in das schwarze Roboter-Loch geworfen. Investiert in hochspezialisierte Grundlagenforschung, die das Rad immer und immer wieder neu erfindet, obowohl es noch nicht gebraucht wird, weil es nicht rollt. Die Öffentlichkeit wird dann mit kleineren Artikeln wie diesem bei Laune gehalten, und die wichtigen Probleme der Gesellschaft verhungern. Und niemand mokiert sich über die erbärmlichen Ergebnisse. Mich wundert, wieso die Verschwendung öffentlicher Gelder für Spaßprojekte hier plötzlich immer noch so breite Akzeptanz findet.
3. Baaah
x3Ray 11.08.2011
Zitat von wirrpoolFür sehr bedenklich halte ich hingegen die ständigen Pseudo-Bastelprojekte (Forschung möchte ich nicht nennen, was im Wesentlichen nur Auslebung des männlichen Spieltriebs ist) an Hochschulen. ... Mich wundert, wieso die Verschwendung öffentlicher Gelder für Spaßprojekte hier plötzlich immer noch so breite Akzeptanz findet.
Spaßprojekte? Wie willst du denn definieren, was Spaß ist und was Ernst? Insbesondere bei Visionen kann man immer sagen: Das sind doch nur Spinner, die spielen nur rum, die machen nichts Ernsthaftes/Wichtiges. Nach deiner Einstellung von Forschung würde der Mensch heute noch verschlafen aus seiner Höhle gucken. ;) Nur die Visionen, Spielereien und Utopien von ein paar Leuten haben die Menschheit dahin gebracht, wo sie heute steht und wie sie sich vom Affen unterscheidet. Telefon? Fernsehen? Fliegen? Elektrischer Strom? Ich würde behaupten, dass jede Erfindung vor ihrer Präsentation/Massenmarktauglichkeit nichts anderes war als die "Spielerei", wie sie mit den Robotern hier getrieben wird.
4. ...
MartinS. 11.08.2011
Zitat von wirrpoolFein, wieder eine weitere innovative Idee, um die Menschheit vorran zu bringen. Oder doch die erste? Auf jeden Fall ist sie brandneu und hochspektakulär! Ironie bei Seite. Gut und in gewissem Sinne......
...sie halten Forschung also für reine "Spaßprojekte". Interessante Einstellung, aber eben doch überaus kurzsichtig. Gerade Forschungen in Robotik und Automatisierung sollten doch offensichtliche praktische Anwendungen erkennen lassen - und wie immer steht die Grundlagenforschung am Anfang, ohne die eben nichts funktioniert (die aber immer zu grob und primitiv aussieht, als dass man reale Anwendungen wahrhaben will. Ohne diese "Spaßprojekte" würden wir aber heute noch auf nen Blitz warten, wenn wir unser Essen garen wollen. Menschen würden Tag für Tag ihre Hände in Pressen verlieren und die durchschnittliche Lebenserwartung läge bei knapp 40 Jahren, weil sich dann jeder kaputtgearbeitet hätte. Was glauben sie denn, wo Industrieroboter herkommen.... und Autos.... und Elektrizität?
5. Das ging ja schnell
Kalle 11.08.2011
Für Roboter sind das Herkulesaufgaben? Ich dachte immer, dass das Herkulesaufgaben für Ingenieure sind. Aber man ist ja lernfähig.
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