Roboter – Lernen für den Hilfseinsatz

Maschinelles Lernen beflügelt die Künstliche Intelligenz / Neue Antriebsformen ermöglichen den Robotereinsatz in der Medizin

Sie sollen zu vielseitigen Helfern des Menschen werden: Roboter könnten einmal völlig selbstständig als Rettungskräfte Verletzte aus einsturzgefährdeten Gebäuden bergen oder uns bei der Hausarbeit unterstützen, wenn uns das Bücken schwerfällt. Als Autonome Fahrzeuge würden sie uns eigenständig zu einem Ziel chauffieren. Und Ärzte könnten winzige Wirkstofftransporter oder Operationshelfer in den Körper eines Patienten schicken, um gezielt Krankheitsherde zu behandeln. Forscher diverser Max-Planck-Institute arbeiten daran, dass Roboter autonom und flexibler im Einsatz werden.

Gesucht: flexible Helfer statt stumpfsinniger Maschinen

Roboter können heute noch viel weniger, als Science-Fiction-Autoren ihnen zuschreiben. Zwar nennen sich viele Spielzeuge Roboter, erfüllen können sie den Anspruch allerdings kaum. Praktisch nützliche Roboter dienen der produzierenden Industrie als zuverlässige, aber auch sture und nicht sehr flexible Helfer. Ähnlich pflichtbewusst, aber auch stumpfsinnig sind die Geräte, die selbstständig den Rasen mähen oder staubsaugend durch eine Wohnung rollen. Obwohl manche Roboter wie etwa Sophia, die ein Unternehmen aus Hong Kong entwickelt hat, Menschen inzwischen recht ähnlichsehen und sogar menschliches Verhalten imitieren können, ist es mit ihrer Bewegungsfähigkeit und künstlichen Intelligenz nicht weit her. Schon beim Gehen geraten die meisten Maschinenwesen auf unebenem Gelände so schnell aus dem Tritt wie Kleinkinder, die gerade laufen lernen. Auch im Umgang mit dem Menschen reagieren Roboter noch nicht immer so flexibel, wie es für einen gefahrlosen Kontakt mit Menschen nötig wäre. Ganz zu schweigen davon, dass es zwar Rasenmäher- und Staubsaugerroboter gibt, aber noch keinen, der beides kann und vielleicht auch noch selbständig einen staubgefüllten Beutel zur Mülltonne trägt oder gar stumpfe Messer für den nächsten Grasschnitt ersetzt. Selbst Industrieroboter bewältigen heute nur bestimmte Aufgaben, für die sie programmiert wurden – mit Abweichungen von ihrer Routine sind sie solange heillos überfordert, bis ihre Software entsprechend umgeschrieben wird.

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Damit Roboter künftig auch Aufgaben bewältigen können, bei denen Flexibilität gefordert ist, damit sie sich auf unbekanntem Terrain zurechtfinden, auch auf unebenem Grund nicht stolpern und neue Tätigkeiten erlernen können, ohne immer wieder neu instruiert zu werden, ist ein Ziel von Wissenschaftlern der Max-Planck-Institute für Intelligente Systeme und für Mathematik in den Naturwissenschaften: Sie erforschen, wie Roboter lernen und verfolgen dabei verschiedene Wege.

Von Neugier getrieben

Forscher des Leipziger Max-Planck-Instituts für Mathematik in den Naturwissenschaften etwa statten elektronische Gehirne mit spielerischer Neugier aus. So bringen sie Roboter dazu, von selbst ihren motorischen Spielraum auszuloten und sich immer neue Bewegungen anzueignen.

Roboter als Helfer im Alltag könnten in Zukunft unser Leben besser machen. Der Weg dahin ist aber noch weit. Einerseits muss an geeigneter alltagstauglicher Hardware geforscht werden. Andererseits, und das ist das weitaus größere Problem, muss das richtige „Gehirn” entwickelt werden. Um auch nur annähernd an die menschlichen Fertigkeiten heranzureichen, muss ein Roboter Vieles selbst lernen. Die Arbeitsgruppe Autonomes Lernen arbeitet an der Programmierung eines künstlichen Spieltriebs und den dazugehörigen Lernverfahren, so dass sich künstliche Systeme in Zukunft selbst verbessern können. mehr
Die Klugheit der Dinge

Raffiniert konstruierte Maschinen lernen Bewegungen ganz ohne Anweisungen eines Steuerprogramms.  Auf ähnliche Weise ergründen Roboter, deren Gehirn Ralf Der und Nihat Ay am Max-Planck-Institut für Mathematik entwickeln, ihren Körper und ihre Umwelt.

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Roboter lernen dank künstlicher Intelligenz neue Aufgaben

Damit Robotern lernen und nicht zuletzt ohne Gefahr mit Menschen umgehen können, setzen Wissenschaftler des Tübinger Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme auf künstliche Intelligenz, genauer gesagt auf Methoden des Maschinellen Lernens. Dabei sammelt eine Software große Mengen an Daten, zum Beispiel beim Balancieren eines Stabes oder bei wiederholten Griffen nach unterschiedlichen Gegenständen. Der Erfahrungsschatz hilft einem Roboter, eine Aufgabe auch dann zu bewältigen, wenn es dabei zu Abweichungen von der Routine kommt. Einen etwas anderen Ansatz verfolgen die Forscher bei dem Versuch, Robotern komplexe Bewegungen wie etwa das Tischtennisspiel beizubringen. Dafür stellen sie ihren Zöglingen eine ganze Palette einfacher Bewegungen, sogenannter Primitive, zur Verfügung, aus denen sich komplexere Aktionen wie ein Schlag mit der Tischtennis-Rückhand kombinieren lässt. Mithilfe des maschinellen Lernens optimiert der Roboter die entsprechenden Bewegungsabläufe anschließend selbstständig unter anderem durch Verstärkungslernen (reinforcement learning).

Als Haushaltshilfe, Pflegeassistent oder Katastrophenschützer taugen Roboter nur, wenn sie lernfähig sind und zumindest ansatzweise selbstständig handeln können. Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Tübingen bringen den Maschinen diese Flexibilität und Autonomie bei. mehr
Roboter mit Grips
In der Welt der Science-Fiction sind Roboter intelligent, in der Realität sind sie dumm. So mangelt es ihnen etwa an Flexibilität und den richtigen Reaktionen zur rechten Zeit. Genau das aber bringt Jan Peters seinen Maschinen bei. Der Informatiker, Maschinenbauer und Elektrotechniker leitet eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen. mehr

Autonome Autos mit vorausschauender Fahrweise

Durch eine komplexe, unbekannte Umgebung steuern und plötzlich auftauchenden Hindernissen ausweichen zu können, sind Fähigkeiten, über die Autonome Fahrzeuge unbedingt verfügen müssen, damit sie sicher sind. Und die müssen auch in unübersichtlichen Verkehrssituationen und bei schlechter Sicht schnell reagieren, oder wenn unvermittelt ein Fußgänger zwischen parkenden Autos hervortritt. Um stets den Überblick zu behalten, der für vorausschauendes Fahren nötig ist, müssen die Roboter komplexe Straßenszenen analysieren und verstehen. Das ermöglichen ihnen Forscher der Max-Planck-Institute für Intelligente Systeme und für Informatik: Sie entwickeln Software, die aus zweidimensionalen Bildern dreidimensionale Modelle der Wirklichkeit rekonstruiert. Die Programme greifen dabei auf Vorwissen etwa über das mögliche Verhalten von Verkehrsteilnehmern zurück und werden durch Maschinelles Lernen geschult, eine Situation auch dann richtig zu interpretieren, wenn ihnen nur unvollständige Daten zur Verfügung stehen.

Einen Wagen mit Chauffeur könnte es irgendwann für jeden geben, wenn nämlich ein Roboter das Steuer übernimmt. Damit Autos auch ohne großen technischen Aufwand autonom fahren können, müssen Computer unübersichtliche Verkehrssituation jedoch mindestens genauso gut beurteilen wie der Mensch. Dafür entwickeln Andreas Geiger und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Tübingen die nötige Software. mehr
Bordcomputer mit 7. Sinn
Notbremssysteme verhindern heute schon manchen Unfall im Verkehr, einen richtigen Überblick über das Geschehen auf der Straße haben elektronische Assistenten aber noch nicht. Das will Bernt Schiele, Direktor am Max-Planck-Institut für Informatik in Saarbrücken ändern. Er bringt Computern bei, die Wege von Fahrzeugen und Fußgängern vorauszuahnen. mehr

Winzige Roboter für die Medizin

Roboter könnten künftig aber nicht nur als Helfer bei Rettungseinsätzen oder im Haushalt und als autonome Fahrzeuge zum Einsatz kommen. Als Geräte, die einige Mikro- bis wenige Zentimeter groß sind, könnten sie auch Assistenzjobs von Ärzten übernehmen, etwa indem sie im menschlichen Körper kleine Operationen ausführen oder Wirkstoffe direkt zu einem Krankheitsherd bringen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart erforschen verschiedene Antriebstechniken, mit denen sich solche winzigen Vehikel durch den Organismus manövrieren lassen. Sie nehmen sich dabei Fortbewegungsarten verschiedener Tiere zum Vorbild, die sie mit technischen Mitteln imitieren. Mal ahmen sie dabei die Peristaltik eines Regenwurms nach, mal die Schläge, die Quallen mit ihren Tentakeln ausführen oder die Kriechbewegungen von Raupen. Als besonderes Bewegungstalent hat sich ein wenige Millimeter großer Silikonstreifen erwiesen, in den die Forscher auf ausgeklügelte Weise Magnetpartikel einbetteten. Durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert kann das winzige Gefährt daher laufen, springen, schwimmen und sogar kleine Lasten transportieren.

Mikroboote kommen in Fahrt
So manche medizinische Behandlung wäre effizienter, wenn Medikamente mit einem winzigen Roboter direkt zum Krankheitsherd transportiert werden könnten. Peer Fischer und seine Mitarbeiter am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente  Systeme entwickeln Mikro- und Nanoschwimmer, die dies eines Tages ermöglichen sollen. mehr
Ein magnetischer Antrieb ermöglicht es einem winzigen Vehikel, durch eine komplexe Umgebung zu gehen, kriechen, springen und schwimmen mehr
Winzige Roboter für die Medizin
Metin Sitti vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart forscht an winzigen Nanobots. Mit Präzision sollen sie in Zukunft Medikamente in jeden Teil des Körpers liefern oder sogar Operationen durchführen. mehr

Für medizinische Assistenztätigkeiten bereits ausgerüstet ist ein Roboter, der kaum größer ist als eine Medikamentenkapsel. Er lässt sich magnetisch steuern, kann mit einer Kamera auf seine Umgebung blicken und Gewebeproben nehmen oder Medikamente transportieren. Sein Einsatzgebiet könnten etwa Magenerkrankungen werden.

Diagnostik mit der Magenpille
Für eine Magenspiegelung müssen Patienten heute meist noch den Schlauch eines Endoskops schlucken. Denn Kapseln mit Kameras, die dafür auch geeignet sind, lassen sich bislang nicht steuern. Das wollen Wissenschaftler um Metin Sitti, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, ändern. Und ihre kleinen, kapselförmigen Roboter schießen nicht nur Bilder des Mageninneren. mehr
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