Schwarmrobotik: Termitenroboter spielen mit Bauklötzen

Hier entlang, die Treppe hoch - nein, da ist schon Isis. Also anders abbiegen. Dort ist noch Platz. Baustein ablegen. Die Treppe wieder hinunter. Den nächsten Stein holen. Die Bauroboter Isis, Kali und Nargun sind ganz schön fleißig - fleißig wie Termiten.

Termes heißen die Roboter, die etwa so groß sind wie eine Milchtüte. Sie fahren auf speziellen Rädern, sogenannten Whegs - eine Mischung aus Rädern (Wheels) und Beinen (Legs). Das sind dreiarmige Spiralen, die rollen können, aber auch Hindernisse überwinden - oder in dem Fall Treppen steigen - können.

Runder Rücken...

Die Termes haben einen runden Rücken und hinten einen Ausleger, um den Baustein ablegen und transportieren zu können. Mit einem Greifer können sie die Steine auf- und abladen. Die Roboter verfügen zudem über einige Sensoren, darunter einer zur Schwarz-Weiß-Erkennung sowie zur Erfassung von Umfang, Struktur und anderen Robotern. Drei haben die Forscher von der Harvard-Universität um Justin Werfel und Radhika Nagpal gebaut: Isis, Kali und Nargun.

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Roboter Isis, Kali und Nargun im Einsatz (Foto: Eliza Grinnell/SEAS Communications)

Vorbild sind Termiten. Die staatenbildenden Insekten bauen gut 3 Meter hohe Kamine, um ihre Bauten zu belüften. Wie die Termiten sollen auch die an der Harvard-Universität entwickelten Roboter gemeinsam dreidimensionale Strukturen bauen - Pyramide, Schlösser oder Türme.

...für konkave Bauklötze

Als Material dienen standardisierte Bausteine aus Kunststoff. Eine Fläche ist konkav, außerdem ist darauf ein weißes Kreuz auf schwarzem Untergrund abgebildet, zur Orientierung für die Roboter. Jeder Klotz ist knapp 22 Quadratzentimeter groß und 4 Zentimeter hoch. Die Roboter bauen daraus nicht nur das Gebäude selbst, sondern legen sich auch Treppen an, um höher bauen zu können. Größere Termitenroboter könnten Deiche aus Sandsäcken gegen Überschwemmungen bauen oder bei einer möglichen Kolonisierung des Mars behilflich sein.

"Das Wichtigste, was wir uns von den Termiten abgeschaut haben, ist die Idee, dass eine Gruppe zusammen und ohne Aufsicht etwas sehr Komplexes schaffen kann, und zwar, ohne dass alle explizit diskutieren, was passiert, sondern nur durch Modifizierung der Umgebung", erklärt Nagpal.

Ahnungslose Termiten

Wenn Menschen etwas bauten, fertigten sie zuerst Konstruktionszeichnungen an und erstellten dann einen Plan, wie diese umzusetzen seien, sagt Justin Werfel. "In einer Insektenkolonie ist es aber nicht so, dass die Königin allen individuell Anweisungen gibt. Eine Termite weiß nicht, was die anderen machen oder wie der aktuelle Status des Hügels ist."

Die Termiten nutzen zur Kommunikation das Konzept der Stigmergie: Sie kommunizieren nicht direkt miteinander, sondern jedes Tier schaut sich an, was die anderen machen, wie dies Umgebung verändert, und handelt selbst entsprechend.

Einfache Regeln

Diesen Mechanismus haben die Forscher nachgebildet und auf die Roboter übertragen - wobei sie allerdings mit der fertigen Struktur beginnen: Eine Software errechnet einfache Regeln, die dazu führen, diese zu erbauen. Eine Folge, wie die Bausteine zu legen sind, ist jedoch nicht vorgegeben. Die Roboter werden mit den Regeln gefüttert und legen dann autonom los.

Es gibt - anders als etwa bei dem Drohnen-Turmbauprojekt, das Raffaello D'Andrea, Robotiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, und die Architekten Fabio Gramazio und Matthias Kohler vor einigen Jahren durchgeführt haben - auch keine Aufsicht, die jeden Roboter über die Aktivität und die Position der anderen informiert. Jeder Roboter nimmt seine Umwelt mit seinen Sensoren wahr, und entscheidet entsprechend.

Bausteine und Roboter

Die Roboter wissen auch nicht, was sie gerade genau tun. Ihr Handeln hänge von der Anwesenheit der anderen Roboter sowie davon ab, wie die Bauklötze bereits ausgelegt seien, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Science.

Auf diese Weise schaffen es drei Termes, eine einstöckige Struktur mit drei Ausläufern zu bauen: Teammitglied Kirstin Petersen programmierte die Regeln, um einen Dreizack aus zehn Bauklötzen zu legen. Für den Anfang legten die Forscher drei Klötze in einer Reihe aus und zeichneten daneben einen weißen Pfeil auf den Untergrund, damit die Roboter wussten, wo sie anfangen sollten.

Bauzeit 30 Minuten

Die Roboter schnappten sich jeweils einen Baustein, fanden den Pfeil und kletterten auf die ausgelegten Steine, suchten nach einem geeigneten Platz und legten ihren Klotz ab. Dann kehrten sie zum Ausgangspunkt zurück und fingen neu an. So schafften sie es in einer halben Stunde, die Struktur zu bauen.

Nagpal hat bereits Erfahrung in der Schwarmrobotik: Sie hat mit ihrem Team von der Self-Organizing Systems Research Group an der Harvard-Universität vor einigen Jahren die Kilobots entwickelt. Das sind kleine, dreibeinige Roboter, die mit Vibrationsmotoren angetrieben werden. Zweck der einfachen und günstig herzustellenden Roboter ist, Schwarmalgorithmen zu testen, die später in größere Roboter implementiert werden.