12.09.2005 · Ein Fußballspiel zwischen Robotern und Menschen? Die Optimisten unter den Experten halten das bis 2050 für möglich. Doch Skepsis scheint angebracht: Erst einmal müssen die Maschinenwesen lernen, schneller und vor allem stabiler zu laufen.
Von Manfred Lindinger
© TUM München
Laufroboter „Johnnie”
Ob Räder, Rollen, Ketten oder Beine - viele Fortbewegungsmittel hat man mittlerweile für Roboter ersonnen. Am größten ist der Aufwand, will man den Maschinenwesen den aufrechten Gang und das Laufen beibringen. Kein Wunder. Schließlich ist noch immer unklar, wie wir Menschen gehen, laufen und rennen können, ohne dabei das Gleichgewicht zu verlieren.
Trotz großer Fortschritte können sich selbst die Stars unter den Maschinenwesen wie „Asimo“ der Firma Honda und „Qrio“ von Sony nur dank enormer Rechenleistung und ausgefeilter Technik auf den Beinen halten und ihre Kunststücke vollführen. Doch wirken ihre Bewegungen beim Tanzen, Treppensteigen oder Joggen noch recht unbeholfen und für das menschliche Empfinden wenig natürlich. Durch die genaue Beobachtung biologischer Systeme, immer aufwendigere Verfahren und durch einfaches Ausprobieren versuchen die Forscher, die bestehenden Hürden zu überwinden und den Laufmaschinen zu schnelleren Schritten zu verhelfen. Auf der Tagung „Fast Motions in Biomechanics and Robotics“ in Heidelberg haben sich jüngst Robotiker aus aller Welt zu einem gemeinsamen Erfahrungsaustausch getroffen.
2050: Fußballspiel Roboter gegen Menschen
Die Erwartungen sind groß. 2050 sollen die Roboter so weit entwickelt sein, daß sie gegen Menschen Fußball spielen können. Friedrich Pfeiffer von der Technischen Universität München, der auf mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung im Bau von Robotern zurückblicken kann, beurteilt solche Visionen eher skeptisch. „In fünfzig Jahren wird es noch keinen zweibeinigen Roboter geben, der sich so elegant und schnell bewegen kann wie wir Menschen.“ Aus seinen Laboratorien in Garching stammen zahlreiche Roboter, darunter „Johnnie“, eine zweibeinige Laufmaschine. Diese ist in der Lage, auch auf unebenem Boden sowie um Kurven zu gehen.
Der technische Aufwand ist beträchtlich: Der 1,80 Meter große und 40 Kilogramm schwere Roboter hat insgesamt 17 Gelenke, die mit Gleichstrommotoren angetrieben werden. Sechs Stück stecken in jedem Bein. Neben den Antrieben verhelfen modernste Sensoren, reichlich Elektronik und leistungsfähige Computer "Johnnie" zu einem gewissen Maß an Autonomie. Ein kompliziertes Regelungssystem kontrolliert und koordiniert die Bewegungsabläufe und sorgt dafür, daß Johnnie beim Stehen oder Gehen nicht das Gleichgewicht verliert. Zwar ist die Gehgeschwindigkeit mit etwa zwei Kilometern pro Stunde für Laufmaschinen recht schnell, im Vergleich zu einem Hundertmeterläufer, der mehr als 36 Kilometer pro Stunde schafft, aber noch viel zu langsam. Das Nachfolgemodell „Johnnie 2“ soll erheblich flinker sein.
Hangeln wie ein Gibbonaffe
Ähnlich viel Technik haben Toshio Fukuda von der Nagoya University und seine Kollegen in den Roboter „Gorilla“ gesteckt. Die ein Meter große Maschine besitzt 25 Gelenke, die von 24 Motoren angetrieben werden. Das Besondere an dem Roboter: Er kann sich nicht nur auf zwei oder vier Beinen fortbewegen, sondern auch - wie ein Gibbonaffe - mit seinen beiden Armen an einer horizontal aufgehängten Sprossenwand entlanghangeln. Dabei nutzt „Gorilla“ beim Schwungholen effizient die Pendelbewegung seines Körpers aus. Fukuda war bei der Konstruktion vor allem darauf bedacht, daß alle drei Fortbewegungsarten möglichst energiesparend ausgeführt werden. Beim Gehen beispielsweise bedient sich der Roboter der Schwerkraft als Energiequelle. Das Wechselspiel zwischen seitlicher Pendelbewegung und Fortwärtsbewegung der Beine sorgt für ausreichend Stabilität.
Während „Gorilla“ als passiver Läufer jedoch nur eine schiefe Ebene hinuntermarschieren kann, spaziert die eineinhalb Meter große Roboterdame „Denise“ auch auf ebenen Parkettflächen umher. Zumindest in eine Richtung, denn um Kurven gehen kann sie nicht. Das geht so lange gut, bis sie gegen eine Wand stößt. Denn mit Sensoren haben sie ihre Konstrukteure von der Universität Delft nicht ausgestattet. „Denise“, die als Kopf lediglich einen blauen Eimer trägt, besteht aus zwei Beinen mit Kniegelenken, zwei starren Armen und einem Aluminiumgestänge als Oberkörper, in dem eine Gasflasche montiert ist. Zur Fortbewegung nutzt der Laufroboter nämlich Druckluft. An Einfachheit ist Denise kaum zu überbieten. Matijin Wisse entwarf den Automaten vor allem deshalb, um die Grundprinzipien des Gehens zu studieren. Dabei zeigte sich schnell, daß für „Denise“ der aufrechte Gang eine höchst instabile Angelegenheit ist. Sie gerät beim Schreiten von einem Schritt zum anderen ständig in Gefahr, die Balance zu verlieren. Anders als wir Menschen. „Die Natur hat beim aufrechten Gang vor allem die Stabilität optimiert und nicht so sehr darauf geachtet, den Energieaufwand zu minimieren“, kommentiert Friedrich Pfeiffer die holprigen Gehversuche von „Denise“.
Natürlich Bewegungsformen kaum studiert
Daß Fähigkeiten wie Gehen und Laufen letztlich immer noch nicht verstanden sind, liegt nach Ansicht von Katja Mombauer von der Universität Heidelberg auch daran, daß die Bewegungsformen in der Natur bisher zuwenig studiert worden sind. Sie berechnet am Computer, wie Laufmaschinen konstruiert sein müssen, damit diese sich effizient und stabil fortbewegen. Ihr Vorbild sind Stehaufmännchen, die sich automatisch wiederaufrichten, wenn sie aus dem Gleichgewicht geraten sind. Für Moritz Diehl, der zusammen mit seiner Kollegin die Tagung in Heidelberg organisierte, benötigen Roboter dringend vorausschauende Regelungssysteme, sollen sie laufen oder rennen können. Diese Systeme prüfen rasch jeden Schritt im voraus und greifen rechtzeitig ein, wenn ein Sturz droht. Mit herkömmlichen Verfahren läßt sich das allerdings nicht verwirklichen, sagt Diehl. Die Robotiker müssen deshalb wohl noch eine Menge von der Natur lernen und lange in ihren Werkstätten herumtüfteln, bis eines Tages kickende Roboter gegen Fußballspieler aus Fleisch und Blut antreten können.
