Laufroboter mit zentraler Bewegungssteuerung

Wissenschaftler an der Universität in Göttingen und dem dortigen Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation haben einen Laufroboter entwickelt, der sich wie ein Insekt auf sechs Beinen fortbewegt. Und wie ein Insekt kann er zwischen mehreren Gangarten wechseln. Das Besondere an dem Roboter, der die Bezeichnung Amos-WD06 trägt, ist die Steuerung seiner Beine: Er kommt mit nur einer Steuerungseinheit aus.

Insekten nutzen, je nach Anforderung, verschiedene Gangarten, etwa für schnelles oder langsames Krabbeln oder für die Überwindung von Hindernissen. Solche sich wiederholenden Bewegungsmuster werden - bei Tieren übrigens ebenso wie beim Menschen - von neuronalen Netzen, sogenannten zentralen Mustererzeugern (Central Pattern Generator, CPG) erzeugt.

Roboter mit nur einem Mustererzeuger

Bei Robotern bilden Wissenschaftler solche CPG nach, die die Beine steuern. Im Normalfall verfügt dabei ein Roboter für jede Gangart über einen CPG. Im Gegensatz dazu kommt der Göttinger Roboter Amos-WD06 mit nur einem Mustergenerator aus.

Der CPG, der die Gangarten erzeugt und zwischen ihnen hin- und herschaltet, besteht aus einfachen Verschaltungselementen, die mit zwei neuronalen Einheiten vergleichbar sind. Dieser CPG erzeugt zunächst ein ungeordnetes Bewegungsmuster, das aber in das Muster für einen geordneten Gang überführt werden kann. Wegen des Ausgangspunktes haben die Wissenschaftler den Mechanismus Chaos-Kontrolle genannt.

18 Sensoren

Über 18 Sensoren nimmt Amos-WD06 seine Umgebung wahr. Die Sensoren übermitteln ihre Daten an den CPG, der eine den Gegebenheiten angemessene Gangart auswählt. Die Verbindung zwischen Sensoren und CPG können die Wissenschaftler vorgeben. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Roboter aus eigener Erfahrung lernt.

So haben die Wissenschaftler dem Roboter beispielsweise beigebracht, eine Steigung mit einem möglichst geringen Energieaufwand zu bewältigen. Meldet der Sensor, der den Stromverbrauch misst, dass der Roboter beim Laufen zu viel Energie verbraucht, sucht der Mustergenerator nach einer energiesparenderen Gangart. Diese merkt sich der Roboter und wendet sie an, wenn er wieder eine Steigung bezwingen soll.

Elf Verhaltensmuster

Insgesamt steht dem Roboter ein Repertoire aus elf verschiedenen Verhaltensmustern wie Orientierung, Selbstschutz oder verschiedene Gangarten zur Verfügung, die er zudem miteinander kombinieren kann, schreiben die Wissenschaftler in dem britischen Fachmagazin Nature Physics. 18 Motoren führen die Bewegungen des Roboters aus.

Das Problem ist derzeit, dass der Roboter nur unmittelbar auf ein Hindernis reagieren kann. Gerate es aus dem Fokus der Sensoren, vergesse er, wie er es mit welcher Gangart überwinden müsse, erklärt Max-Planck-Forscher Marc Timme. Der nächste Schritt wird deshalb sein, den Roboter mit einem Speicher auszustatten. "Wenn der Roboter mit einem motorischen Gedächtnis ausgestattet ist, wird er seine Bewegungen vorausschauend planen können."

Insekten und andere Mehrbeiner sind ein beliebtes Vorbild für Roboter. Der Bielefelder Biologe Holk Cruse beispielsweise hat die Bewegungen von Stabheuschrecken beobachtet und ihre Bewegungen auf Roboter übertragen. Die Robotiker am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz in Bremen haben Roboter nach dem Vorbild eines Skorpions und Skarabäus entwickelt. Sie sind dafür gedacht, in Zukunft fremde Planeten zu erkunden.