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Schwarmverhalten : Roboter schreiben Buchstaben

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Diese Kilobots wissen, wie sie Buchstaben oder Muster zu bilden haben. Bild: Michael Rubenstein, Harvard University

Bin ich schon am richtigen Platz? Über komplexe Rechenprozesse kann sich jeder einzelne von tausend kleinen „Kilobots“ exakt in eine vorgegebene Formation fügen. Wer am falschen Platz sitzt, bekommt einen Hinweis vom Nachbarn.

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          Tausend kleine Roboter bewegen sich vibrierend über eine Fläche und bilden allmählich den Buchstaben K oder einen Stern. Dabei ist ihr Weg nicht einprogrammiert, stattdessen folgen sie einfachen Regeln. Dieses beachtliche Kunststück ist nun Wissenschaftlern von der University Harvard in Cambridge (Massachusetts)) gelungen. Wie sie den Roboterschwarm dazu brachten,durch Selbstorganisation flächige Strukturen zu bilden, beschreiben Michael Rubenstein und seine Mitarbeiter in der Zeitschrift „Science“ (doi: 10.1126/science.1254295).

          Nach Angaben der Forscher haben bisher nur wenige Schwarmexperimente die Zahl von hundert Robotern überschritten. Schwärme von Ameisen, Fischen oder Vögeln bestehen oft aus erheblich mehr Tieren. „Unsere Arbeit lässt das Ziel näher rücken, künstliche Schwärme mit den Fähigkeiten der natürlichen zu schaffen“, schreiben Rubenstein und Kollegen.

          Dreibeiniger Kilobot
          Dreibeiniger Kilobot : Bild: dpa

          Die „Kilobots“ genannten Roboter sind etwas größer als eine Zwei-Euro-Münze. Sie stehen auf drei Beinchen und werden von zwei Vibrationsmotoren angetrieben. Laufen beide Motoren, bewegt sich ein Kilobot geradeaus. Ist nur einer an, vollführt er eine Kurvenbewegung.

          Wenn die Roboter die Informationen für das Muster erhalten, die sie bilden sollen, beginnt der Vorgang mit vier Initialrobotern in einer Ecke des Schwarms. Zufällig ausgewählte Roboter beginnen dann, am Rand der Robotertraube entlang zu laufen, bis sie die Initialroboter erreicht haben. Nun kann jeder Kilobot ein Koordinatensystem errechnen, das ihm anzeigt, ob er sich innerhalb oder außerhalb des vorgegebenen Musters befindet.

          Fünfhundert Roboter haben diesen „Schraubenschlüssel“ geformt.
          Fünfhundert Roboter haben diesen „Schraubenschlüssel“ geformt. : Bild: Michael Rubenstein, Harvard University.

          Algorithmus sorgt für Ordnung im Gewühl

          Durch Datenaustausch über Infrarotsender und -empfänger mit seinen Nachbarn findet jeder Kilobot seinen Platz in der Formation. Dabei hilft ihm auch ein Gradient, der die Position eines jeden Roboters berechnet.Vereinfacht gesagt, zeigt der Gradient an, wie viele Reihen ihn von den Initialrobotern trennen. Der Kilobot läuft nun so weit, bis er entweder die Grenze des Musters erreicht oder einen Roboter mit gleichem Gradienten findet. Dort bleibt er stehen.

          Um Behinderungen durch einzelne Roboter mit Fehlfunktionen zu vermeiden, führten Rubenstein und Kollegen einen Algorithmus ein, mit dem sich die Kilobots gegenseitig kontrollieren. Auf diese Weise können zum Beispiel Roboter, die an einer falschen Stelle stehengeblieben sind, auf ihren Fehler aufmerksam gemacht werden, damit sie ihn korrigieren. „Allgemein gesprochen, können viele Fehler durch Informationsaustausch mit den Nachbarn erkannt werden; die kooperative Kontrolle war entscheidend, um große Schwarmexperimente ohne menschlichen Eingriff zu ermöglichen“, schreiben die Wissenschaftler.

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