Elektronik

Immer genauer erforschen Wissenschaftler die erstaunlichen Lauf-Fähigkeiten des Menschen – um sie Robotern beizubringen. Das ehrgeizige Ziel: 2050 sollen die Kunstwesen erstmals die Fußball-Weltmeisterschaft gewinnen.

So also sieht ein Weltmeister aus: ein klappriges Beingestell ohne Oberkörper, Kopf oder Arme; Ober- und Unterschenkel aus gelochtem Leichtmetall; an Knien und Hüfte kleine Steuereinheiten. Unten, fest verschraubt, zwei Füße: gelbe Bleche, die die Umrisse menschlicher Füße nachahmen. Das ist »RunBot«: der schnellste Laufroboter der Welt.

Mit Finesse programmiert von Florentin Wörgötter (Universität Göttingen), Tao Geng (Universität Stirling) und Bernd Porr (Universität Glasgow), ahmt der 27 Zentimeter große Zwerg den menschlichen Gang nach. Stellt man ihn auf den Boden, legt er in seinem kreisrunden Laufstall sofort los. Ein Sensor meldet Bodenkontakt, akkurat schwingt das Spielbein mit gebeugtem Knie nach vorn; setzt der Fuß auf dem Boden auf, zieht RunBot reflexartig das andere Bein nach – er geht.

Wenn man einen Schalter an seiner Steuerung umlegt, kommt richtig Leben in das mechanische Geschöpf: Die Schritte werden kürzer, der Takt dafür schneller. Selbstständig lernt RunBot, Schrittlänge, Taktfrequenz sowie Knie- und Hüftwinkel an das Tempo anzupassen. Leicht quietschend saust er in klackendem Rhythmus um die Kurve. 3,5 Schritte schafft RunBot pro Sekunde: Roboter-Weltrekord. Die schnellsten Maschinen-Kollegen wie etwa der »Spring Flamingo« vom »Leg Lab« des Massachusetts Institute of Technology (MIT) bringt es nur auf 1,5 Schritte in der Sekunde.

Zwar muss RunBot noch von einer Führungsstange im Zentrum des kreisrunden Laufstalls gehalten werden, damit er nicht umkippt, aber für den Roboterexperten Russ Tedrake von der Roboto Locomotion Group am MIT zeigt der mechanische Schnellgeher bereits »den Weg, wie Roboter endlich menschenähnlicher gehen könnten«. RunBot ist eine der neuesten Entwicklungen in der Reihe von Laufrobotern, die den menschlichen Gang nicht mehr mit Computerpower imitieren wollen, sondern mit den Prinzipien der Biologie. Hiroaki Kitano, der Initiator des Robocup, hat das Fernziel formuliert: 2050 soll eine Elf von humanoiden Robotern den dann amtierenden (echten) Fußballweltmeister besiegen.

Mit purer Rechenleistung versuchen Forscher schon seit Jahrzehnten, den Maschinen Beine zu machen. Während sie es mit Vier-, Sechs- und Mehrbeinern bereits zu recht überzeugenden Nachahmungen von Hunden, Stabheuschrecken oder Spinnen gebracht haben, sind die Ergebnisse bei zweibeinigen Robotern bisher eher dürftig. »Die Simulation des menschenähnlichen Gangs stößt noch immer an die Leistungsgrenzen der Prozessoren«, sagt der Informatiker Edmund Schierer vom Institut für angewandte Robotertechnik der Technischen Universität Wien. Selbst »Asimo«, der Roboter von Honda, der als eines der ausgefeiltesten Produkte der Robotertechnik gilt, bringt es bloß auf eine knieweich schlurfende Gangart.

Durch Anleihen aus der Biologie soll das nun anders werden. Ein weiter Weg – denn die virtuose Laufmaschine Mensch hat einen gewaltigen Entwicklungsvorsprung. Über 500 Millionen Jahre wurde sie via Evolution darauf getrimmt, die Bewegungsabläufe zu perfektionieren. Ausgestattet mit 100 Billionen Nervenzellen, feinster Sensortechnik und biomechanischer Raffinesse, kann der Mensch seine Gliedmaßen derart exakt und mühelos ansteuern, dass Roboter selbst mit neuester Prozessor- und Regelungstechnik dagegen alt aussehen. Blitzschnell schaltet der menschliche Körper von einer Gangart in die andere, in Millisekunden passt er sich an neue Situationen an, etwa wenn er beim Laufen von Sand auf Eis gerät. »Der ganze Körper ist auf Bewegung ausgerichtet«, sagt Valentin Leibetseder, Leistungsphysiologe an der Medizinischen Universität Wien. »Erst seit etwa fünfzig Jahren bewegen wir uns nicht mehr.«

Dass Hundertschaften von Roboterforschern bislang daran gescheitert sind, ihren Geschöpfen flüssiges Laufen beizubringen, ist für Leibetseder kein Wunder: »Das komplexe Zusammenspiel zwischen Gehirn, Nerven, Sehnen, Muskeln und Knochen während der Bewegung ist alles andere als trivial.« Entsteht in den Motivationszentren des Gehirns der Gedanke »Lauf!«, so rast der elektrische Impuls mit 120 Metern pro Sekunde über das motorische Zentrum in der Großhirnrinde direkt zu den rund 100000 so genannten Motorneuronen im Rückenmark. Gleichzeitig wird der Impuls an Kleinhirn und Nervenzellen im Hirnstamm (Basalganglien) weitergegeben, um eine Feedback-Schleife aufzubauen: Sie ist für die Feinabstimmung der Bewegung erforderlich.

Diese subtile Abstimmung ist ein hochkomplexer Vorgang, denn Laufen ist im Grunde ein kontrollierter Sturz. Roboter haben bisher die größten Probleme, ihn abzufangen und in Vorwärtsbewegung umzusetzen – nicht so der Mensch. Mehr als 80 Skelettmuskeln koordinieren unzählige winzige Ausgleichsbewegungen, mit denen der Körper das labile Gleichgewicht während des Laufens dynamisch stabilisiert. Die zwei erbsengroßen Gleichgewichtsorgane im rechten und linken Innenohr liefern dazu laufend Informationen über Rotations- und Linearbeschleunigungen. Diese Daten werden verschaltet und an die motorischen Hirnzentren sowie in Kopie ans Kleinhirn geschickt, wo sie die Ausgleichsbewegungen auslösen, um das System in der Balance zu halten. Gleichzeitig übernehmen Muskeln an Rumpf, Hals und Kopf eine Stützfunktion.

Ähnlich dynamisch ist die Kontrolle der Gliedmaßen. Damit der Körper immer genau weiß, in welchem Zustand sich seine einzelnen Teile befinden, laufen in den Nervenzellen des Rückenmarks simultan bis zu 500000 Feedback-Impulse ein. Rezeptoren in der Fußsohlenhaut melden laufend die aktuellen Vibrations- und Druckveränderungswerte, Muskel- und Sehnenrezeptoren senden Informationen über Anspannungs- und Dehnungsgrad. Rezeptoren in den Gelenkkapseln geben Meldung über die exakte Position der Gelenke – sie sind feinfühlig genug, um bereits auf Winkeländerungen von einem zehntel Grad zu reagieren.

Was allein die Sensortechnik betrifft, können Hightech-Roboter mit dem Menschen wohl mithalten: Sie beherrschen stereoskopisches Sehen, verfügen über künstliche Gleichgewichtsorgane, und die Kontrolle ihrer Gelenke funktioniert punktgenau. Woran es aber hapert: Die Robos können den Wust an Sensor-Informationen nicht in eine fließende, wie von selbst ablaufende Gehbewegung umsetzen. Selbst der hochgezüchtete Asimo schenkt dem hundertsten Schritt immer noch dieselbe Aufmerksamkeit wie dem ersten – jedes Mal setzt sein Computergehirn von Neuem die volle Brainpower ein. »Aber kein Mensch«, sagt Wörgötter, »denkt beim Laufen über jeden Schritt nach.« Ein Jogger stellt seinen Lauf nach einiger Zeit auf automatisch ablaufende Bewegungsprogramme um. Hierarchisch höhere Hirnregionen greifen lediglich punktuell ein. Nur wenn man beispielsweise das Tempo wechselt oder auf unsicheres Terrain gerät, wird die gesamte Koordinationskraft aktiviert – ansonsten bleibt der Kopf frei für anderes.

Die Basis dafür sind die besonderen neuronalen Strukturen unseres zentralen Nervensystems in Kombination mit einer »intelligenten« Biomechanik der Beine. Die Motorneuronen des Rückenmarks sind beispielsweise so verschaltet, dass sie Muskelgruppen reflexartig anspannen und deren Gegenspieler gleichzeitig entspannen können: So wird durch wechselseitiges Beugen und Strecken ein einfaches Bewegungsmuster erzeugt. Dieser »Central Pattern Generator« (CPG) kann mittlerweile auch bei Querschnittsgelähmten mobilisiert werden, wenn zumindest einige der rund zwei Millionen Nerven im Rückenmark noch intakt sind. In einer speziellen Bewegungstherapie werden die Beine des Patienten in einem Gerät namens »Lokomat« unter weitgehender Gewichtsentlastung passiv bewegt – von einem unten durchrollenden Laufband. Nach mehrwöchigem Training können viele Gelähmte ihre Beine wieder frei bewegen. Oft gelingt es ihnen sogar – mühsam und nur über kurze Strecken –, selbstständig an Stöcken zu gehen.

Die Bioroboter-Forscher arbeiten nun daran, diese archaischen Gehreflexe auf Laufroboter zu übertragen. Die Maschinen sollen dabei nicht immer noch mehr rechnen – sie dürfen im »Kopf« dumm sein, aber in ihren Beinen muss so viel »Intelligenz« stecken, dass sie ohne Nachdenken einfach auf und davon marschieren. RunBot besitzt diese Fähigkeit schon in Ansätzen. Er schlug in der Fachwelt vor allem deshalb so große Wellen, weil sein »Gehgehirn« – quasi sein zentrales Nervensys-tem – nur aus 20 elektronischen Neuronen besteht. Was dieses mickrige Hirn schafft, ist enorm: Es lernt während des Laufens ständig dazu. So gewinnt RunBot aus den gemachten »Erfahrungen« immer mehr Sicherheit – die ihm eine immer schnellere Gangart ermöglicht.

Das verdankt er aber auch seinen intelligenten Beinen. Wenn der Laufroboter den Oberschenkel des Spielbeins bis zu einem bestimmten Winkel nach vorn bewegt hat, gibt ein Rezeptor an der Hüfte dem Knie des gleichen Beins den Befehl, sich zu strecken; ausgeführt wird diese Bewegung von einem Servomotor. Ist die maximale Streckung erreicht, schaltet der Motor ab: Das Schwungbein fällt allein auf Grund seiner Massenträgheit und der Gravitation zurück auf den Boden und bildet jetzt das Standbein für den folgenden Schritt. Dieses »passiv dynamische Laufen« macht RunBot so menschenähnlich. Hondas Asimo kann das nicht: Seine Beine sind in jeder Phase von Servomotoren gesteuert.

Das passiv dynamische Laufen haben Forscher der Universität Delft in Holland bereits energiesparend perfektioniert. Mit »Denise« schufen sie einen rein mechanischen Roboter, der ohne programmiertes Gehgehirn auskommt. Er funktioniert wie eine raffinierte »Aufziehpuppe«: mit Metallfedern an den Gelenken, einem Räderwerk und einem Druckluftelement in der Hüfte. Die Federspannung und die Druckluft liefern der Maschine Bewegungsenergie, ihre »Beinarbeit« ähnelt der des RunBot – so kann auch Denise menschenähnlich gehen. Dass sie dazu kein Gehirn benötigt, haben die Forscher durch einen Gag symbolisiert: Sie haben ihr einen leeren Plastikeimer als »Kopf« aufgesetzt.

Auch der »Jenaer Walker«, den André Seyfarth an der Universität Jena entwickelt hat, läuft auf Grund intelligenter Biomechanik der Beine. Diese sind nicht aus starren, sondern aus elastischen Materialien gebaut, sodass sie entweder weit oder kurz durchschwingen können. Gespannte Metallfedern an Hüften, Knien und Sprunggelenken simulieren beim Gehen die Muskeln. Stellt man den »Walker« auf ein Laufband, passen sich seine Beinbewegungen selbstständig der jeweiligen Geschwindigkeit an: Die Federbeine schwingen kürzer, wenn er gehen soll, und weiter, wenn er laufen soll. Der Gangartwechsel gelingt ihm mühelos. »Unser Walker zeigt«, sagt Seyfarth, »dass Roboterbeine so funktionieren können wie ein Fahrrad – das ja auch dann geradeaus läuft, wenn man die Hände vom Lenker nimmt.«

Aber RunBot, Denise und Jenaer Walker sind nur die ersten Schritte auf dem Weg zum wirklich humanoiden Roboter: Denn der muss noch mehr können, als in einem Laufgitter nur Kreise zu drehen oder auf einem Laufband nicht ins Stolpern zu kommen. Das große Ziel der Wissenschaftler ist der vollkommen autonom laufende Roboter, der in Sachen Fortbewegung eine vollwertige Kopie des Menschen ist. Ein Schritt in diese Richtung ist den Fachleuten am Institut für Angewandte Mechanik der Technischen Universität München gelungen: Ihr gut 1,8 Meter großer »Johnnie«, der sogar vier Gliedmaßen besitzt, gilt zurzeit als das High-End-Produkt der europäischen Robotik. Er ist ausgestattet mit elektronischen Augen und ausgetüftelter Sensortechnik, die ihm unter anderem einen künstlichen Gleichgewichtssinn »einhaucht«. Der Robo kann zwar noch nicht sehr schnell gehen, dafür läuft er wie Asimo selbstständig ohne anzuecken, steigt Treppen und überwindet kleine Hindernisse.

Jetzt hat sich das Institut ein noch ehrgeizigeres Ziel gesetzt: Mit Johnnies Nachfolgemodell »Lola«, abgeleitet vom Filmtitel »Lola rennt«, will man alles bislang Dagewesene übertrumpfen. Das Geschöpf aus mehr als 1000 Einzelteilen, dessen Entwicklung über eine Millionen Euro kosten wird, soll können, woran Roboter noch immer scheitern: wie ein Mensch losflitzen und dabei kurzzeitig mit beiden Füßen über dem Boden schweben. Damit dies gelingt, müssen die Forscher aber erst Wege finden, die Stöße abzufedern, die durch das Bein jagen, sobald der Fuß wieder aufsetzt. Mit elastischen Materialien, intelligenter Regelungstechnik und verstärkter Computerpower hoffen die Forscher das in den Griff zu bekommen. Im Frühjahr 2007 soll Lola ihre Premiere haben. Dann wird man sehen, ob sie allen anderen davonrennt.

Norbert Regitnig-Tillian

Hier kann man RunBot beim Laufenlernen zuschauen;http://www.ijrr.org/contents/25_03/abstract/geng/extension2.mpeg;Die Fähigkeiten von Asimo;http://world.honda.com/HDTV/ASIMO