Der "Terminator" lernt laufen
Roboter, die wie Menschen gehen
Roboter, die wie wir Menschen gehen, kommen in Science-Fiction vor, bislang aber nicht in der Wirklichkeit. Das wird sich bald ändern, denn Forscher von der Cornell University, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der niederländischen Delft University of Technology haben drei Modelle vorgestellt, die zumindest den menschlichen Gang imitieren. Sie werden ihre Forschungen in der neuesten Science-Ausgabe präsentieren.
Das Geheimnis der Forscher ist von den "walking toys" abgeguckt, die schon seit 150 Jahren die Kinder begeistern. Im Prinzip handelt es sich um "passive dynamische Läufer". "Es ist faszinierend, wie sie nach kurzem Anstoß auf einer leicht abfallenden Bahn zu laufen beginnen" erzählt Steve Collins und verweist auf ein Modell von Michael J. Coleman.
Das Modell, das den drei Konstruktionen zugrunde liegt, war erstmals in den 80er Jahren von Tad McGeer konzipiert worden. Nach seiner Vorstellung werden Stabilität und Balance nicht vom menschlichen Gehirn bestimmt, sondern von der Physik. So ist die Bewegung zweier Beine nicht anderes als ein schwingendes Pendel. Damit konnte McGeer seinen Läufer ohne Motor, Sensor oder Computer konstruieren.
Das Kennzeichen des Cornell- und Delft-Roboters ist eine zweibeinige Version mit Knien, die durch einen Schutz vor dem Überstrecken bewahrt wird. Der MIT-Roboter, jetzt noch knielos, wird in Kürze von einer Knie-Version abgelöst. Dank der aufwendigen Steuerungselektronik mit der unter Linux laufenden Technik kann er vorwärts und rückwärts gehen. Seine beiden Genossen aus Ithaka und Delft laufen hingegen nur vorwärts.
Der ursprüngliche "passive dynamische Läufer" bewegt sich schaukelnd voran: seine Füße schwingen vorwärts, erst der rechte und dann der linke, und dabei dreht sich der Körper jeweils mit. Der Mensch reduziert die seitliche Drehbewegung, indem er seine Knie bewegt und die Füße abrollen lässt. Ferner schwingen die Arme entgegen der Richtung des vorwärts gehenden Beines. Auch das, um eine Drehbewegung zu vermeiden.
"Der Cornell-Roboter entspricht den menschlichen Gegebenheiten: Er geht gerade, schwenkt seine Arme und braucht Energie nur beim Vorwärtsgehen. Andere Roboter benötigen eine zusätzliche Kraft, um das Bein wieder abzubremsen. Auf diese Weise muss jeder Teilschritt energetisch versorgt werden, weil das Bein nicht frei schwingt" erklärt Andy Ruina, Assistenzprofessor an der Cornell Universität. "Unser Roboter verbraucht beim Gehen kaum mehr Energie als der Mensch."
Der Cornell-Roboter benutzt einen Mikrochip, der dem hinteren Fuß den Befehl gibt, sich abzustoßen. Gleichzeitig wird mit der Vorwärtsbewegung des Beines eine Feder angespannt, die sich erst entlädt, wenn der Befehl zum Abstoßen erfolgt. Der Delft-Roboter verwendet einen pneumatischen Stoß an der Hüfte und der MIT-Roboter elektrische Motoren, die direkt auf die Füße einwirken.
Auch betont Andy Ruina: "Wir haben einen Motor installiert, der nichts anderes macht, als sich der Erdanziehung entgegen zu stemmen." Insofern unterscheidet sich der Entwurf für den Cornell- und den Delft-Roboter nicht von den Aktionen der Gebrüder Wright: "Auch die konstruierten zunächst einen Gleiter, und bauten dann den Motor für den Flug ein."
Die Roboter waren ursprünglich dazu konstruiert, die menschliche Beweglichkeit zu prüfen. Steve Collins, der inzwischen an der Universität von Michigan tätig ist, arbeitet nun an der Entwicklung von Fußprothesen. "Es ist zwar nicht dasselbe wie beim Roboter, aber es stimuliert die Art und Weise, wie man damit umgeht" erklärt er sein neues Arbeitsfeld.
Roboter für jeden
Schaut man sich in der Roboterwelt um, dann werden viele Konzepte von menschenähnlichen Robotern und dabei auch zweibeinige Konstruktionen vorgestellt. Nicht zuletzt Hondas ASIMO (Advanced Step in Innovative MOtility) macht von sich reden. Seine Entwicklung begann 1986 in dem Bewusstsein, dass das Gehen auf zwei Beinen nur der Anfang sein kann. Seitdem ist die Forschung Jahr für Jahr vorwärts getrieben worden. Im Jahr 2000 wurde der 1,20 m große Asimo vorgestellt. Hinsichtlich der Beine hat jedes Bein sechs Freiheitsgrade: Drei Freiheitsgrade im Hüftgelenk, eines im Kniegelenk und zwei im Fußgelenk. Damit wird eine Beweglichkeit erreicht, die Asimo "anpassungsfähig für die Eingliederung in die menschliche Gesellschaft" macht. Seit Dezember 2004 ist der Roboter fähig, 3 km pro Stunde zu laufen, er kann über Sensoren seinen Weg selbstständig korrigieren und schließlich schüttelt er einem die Hand.
Es bleibt zu hoffen, dass einer der Prototypen endlich funktioniert und auch bezahlbar wird. Denn es gibt vieles, was wir einem Roboter auftragen können.