Feinsinnig

Roboter mit Fingerspitzengefühl

28. Februar 2022, 14:01 Uhr | Tatjana Bojic
Weißer Cyborg zeigt mit dem Finger (Symbolbild)
Weißer Cyborg zeigt mit dem Finger (Symbolbild)
© AdobeStock/sdecoret

So lernen Roboter fühlen, umarmen und schwimmen

Autos fahren automatisierter, erste Drohnen transportieren Pakete und Roboter werden zu Alltagshelfern. Die Grundlagen für diese Technologien liefern auch die Experten des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) an den beiden Standorten Stuttgart und Tübingen - eines von 86 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft. Sie finanziert sich überwiegend aus öffentlichen Mitteln von Bund und Ländern. Im Jahr 2020 waren dies etwas mehr als 1,92 Milliarden Euro. Doch an was tüfteln die Forscher in den Tübinger Laboren eigentlich? Und was hat die Gesellschaft davon?

Roboter-Daumen mit Tastsinn

Ein daumenförmiger Sensor mit einer darin verborgenen Kamera ist darauf trainiert, haptische Kontaktinformationen abzuleiten.
Ein daumenförmiger Sensor mit einer darin verborgenen Kamera ist darauf trainiert, haptische Kontaktinformationen abzuleiten.
© MPI-IS

Die Flure leer, ebenso die zahlreichen Aufenthaltsräume - die Corona-Pandemie hat auch Spuren im MPI-IS-Gebäude auf dem Tübinger Gelände des »Cyber Valley« hinterlassen. Dennoch geht die Forschung weiter. Das jüngste Projekt von Georg Martius, Forschungsgruppenleiter am Institut, und seines Doktoranden Huanbo Sun sowie von Katherine J. Kuchenbecker, einer Direktorin am MPI-IS, ist es, den Robotern das Fühlen beizubringen - den Tastsinn also in Technik zu übersetzen. Denn um diesen steht es bei den meisten Maschinen ziemlich schlecht, »sie nur sehen, aber nichts spüren«, sagt Martius. Vorstellen könne man sich diesen Zustand, indem man als Mensch versucht, mit einem dicken Handschuh etwas in der Hand zu ertasten.

Um den Tastsinn einer Maschine voranzutreiben, entwickelten die Forschenden einen etwa acht Zentimeter großen Daumen aus einem formfesten, aber elastisch verformbaren Kunststoff (Elastomer), der mit reflektierenden Aluminiumpartikeln vermischt wurde. Dutzende Male änderte Sun die Zusammensetzung, bis schließlich ein optimaler Prototyp gefunden war. Im Inneren des Elastomer-Fingers ist ein leichtes, steifes Skelett, das die Struktur aufrecht hält, ähnlich wie Knochen das weiche Gewebe eines Fingers stabilisieren. Eine Mini- 160-Grad-Fischaugenkamera ist dazu da, bunte Lichtmuster aufzunehmen, die von einem Ring aus LEDs erzeugt werden. »Das Besondere an diesem Projekt ist, dass die Messungen nicht auf der Oberfläche des Sensors stattfinden, sondern auf der Innenseite. Dadurch funktioniert der Sensor, selbst wenn die Oberfläche beschädigt ist«, erklärt Martius.

»Wenn ein oder mehrere Objekte die Sensorhülle berühren, ändert sich das Farbmuster im Inneren des Daumens. Die Kamera nimmt mehrmals pro Sekunde Bilder auf. In jedem Pixel werden kleinste Veränderungen des Lichts erkannt«, erklärt Martius. Das System sieht, wo genau ein Objekt den Finger berührt, wie stark die Kräfte sind und in welche Richtung sie wirken. Das Forschungsprojekt ist laut Martius ein wichtiger Schritt hin zu Robotern, die wie Menschen und Tiere ihre Umgebung ertasten können. Solche Fähigkeiten können sehr nützlich werden, wenn Roboter mit Menschen zusammenarbeiten oder bei gefährlichen Katastropheneinsätzen helfen sollen.

Fingerspitzengefühl für Roboter

Roboter schenkt Umarmung

»Um das Spüren von Berührung geht es auch bei einem System von Kuchenbecker und ihrem Team am Stuttgarter Standort des MPI-IS. Sie schufen den HuggieBot«. Ziel war es, dass die Umarmungen des Roboters genauso beruhigen, trösten und Geborgenheit geben wie die Umarmung eines Menschen. Der Roboter passt sich dabei über Sensoren an den Menschen an, knuddelt ihn. Er lässt aber auch wieder los, wenn der Druck des Menschen nachlässt und dieser sich zurückzieht. Einsetzbar wäre diese Maschine etwa in der Pflege.

Ziel war es, zunächst einen Roboter zu entwickeln, der einen Menschen umarmen können soll und dabei ein ähnliches Gefühl vermittelt wie ein Mensch. Die Forscherinnen und Forscher fanden heraus, dass der Roboter dazu warm, weich und eine menschenähnliche Größe aufweisen muss. Zudem sollte er die Eigenschaft haben, Menschen erkennen und seine Umarmungen an das jeweilige Gegenüber anpassen zu können – beispielsweise was die Körpergröße und Körperhaltung betrifft. Außerdem sollte er selbst wissen, wann eine Umarmung beendet sein sollte.

Über eine Kamera am Kopf erfasst HuggieBot sein Umfeld und erkennt Personen, die in seine Nähe kommen. Dann fragt er sie, ob er eine Umarmung bekommen kann und signalisiert mit einem freundlichen Lächeln auf dem Display seine Bereitschaft dazu. Kommt die Person auf ihn zu, dann passt der Roboter seine Umarmung an Größe und Haltung der Person an. Über Sensoren ermittelt der Roboter den dazu passenden Druck für die Umarmung. Dabei registriert er auch, wie stark die Person die Umarmung erwidert und lässt los, sobald das Gegenüber die Umarmung zu lösen beginnt.

Mikroschwimmer im Körper

Realität in den Laboren des Max-Planck-Instituts sind auch Mikroroboter, die durch das Blut oder andere Flüssigkeiten strömen, Licht als Antrieb nutzen, Medikamente transportieren und diese an Ort und Stelle absetzen. Selbst in sehr salzhaltigen Flüssigkeiten können die Mikroschwimmer vorwärts getrieben werden. Sie zu entwerfen war eine Herausforderung, denn die Fortbewegung mittels Lichtenergie wird durch Salze, die im Wasser oder Körper zu finden sind, behindert.

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse der Tübinger und Stuttgarter Forscher werden auf der Austauschplattform Arxiv (externer Link) anderen Forschern weltweit zur Verfügung gestellt. Diese können dann darauf aufbauen. Laut Wissenschaftsministerin Theresia Bauer (Grüne) sind solche technologischen Durchbrüche und Innovationen ohne Grundlagenforschung undenkbar. Viele Anwendungen etwa in der Laser- oder Computertechnologie basierten auf ihren Erkenntnissen. Das Land unterstütze die Grundlagenforschung mit erheblichen finanziellen Mitteln. »Paradebeispiel für diese Förderung ist der Innovationscampus Cyber Valley, in dem die Universitäten Stuttgart und Tübingen sowie das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme gemeinsam an der Entwicklung künstlicher intelligenter Systeme und intelligenter Roboter arbeiten.« (dpa/me)


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