Roboterforschung - Denken ist einfacher als gehen

 

 

 

Landläufig versteht man unter Intelligenz abstrakte geistige Leistungen. Auch in der KI-Forschung beschränkte man sich jahrzehntelang darauf, Maschinen mit wachsender Rechenleistung Probleme lösen zu lassen. Als IBMs Schachcomputer «Deep Blue» 1997 an einem Turnier in New York den Schachgrossmeister Garry Kasparow besiegte, hätte das der grosse Durchbruch der künstlichen Intelligenz sein sollen. Stattdessen markierte dieser Meilenstein einen Wendepunkt. Im abgeschlossenen System abstrakter Schachregeln hat der Computer den Menschen geschlagen. Aber ist das Intelligenz? Niemand würde einen Taschenrechner als intelligent bezeichnen, obwohl er schneller rechnet als der Mensch – und noch dazu fehlerfrei. Bis heute hat man nicht genau verstanden, wie natürliche Intelligenz funktioniert, geschweige denn, sie künstlichen Objekten wie Robotern beizubringen. Intelligenz ist ein schwer zu fassender Begriff. Maschinen scheitern an Aufgaben, die für den Menschen ohne Anstrengung zu meistern sind: Gesichter erkennen oder Sprache verstehen beispielsweise. Dafür können Computer kompliziertere Rechenoperationen durchführen als jeder Mensch.

Das ursprüngliche Ziel, das man sich 1956 bei der Gründung der Disziplin am Dartmouth College in New Hampshire (USA) gesetzt hatte, ist weiter entfernt als jemals zuvor. Damals hielt man es für in überschaubarer Zeit erfüllbar: Es sollte doch dank der Fortschritte der Wissenschaft bald möglich sein sein, Maschinen Intelligenz einzuhauchen.

 

Interdisziplinäre Suche nach dem «cheap design»

Heute herrscht Pragmatismus vor. Niemand erwartet mehr, in naher Zukunft dem Menschen überlegene, denkende Maschinen zu bauen. Rolf Pfeifer, Leiter des Artificial Intelligence Laboratory der Universität Zürich, meint trocken: «Die künstliche Intelligenz schlägt in Sachen Fehlprognosen alle Disziplinen.» Der Grund dafür: «Wir waren zu sehr gefangen im kartesianischen Weltbild und meinten, jedes Handeln sei Folge des Denkens.» Aber: Biologische Systeme nutzen bei vielen ihrer Bewegungen schlicht Materialeigenschaften. Wäre alles vom Gehirn gesteuert, wäre dieses in seiner Rechenleistung völlig überfordert. Pfeifer: «Wenn ich die Handfläche drehe, sorgt ein schlichter Federmechanismus aus Muskeln und Sehnen dafür, dass sie sich wieder zurückdreht. Das Material übernimmt die Kontrolle. Denkleistung ist nicht nötig.» Der Mensch ist für Pfeifer eine «Billigkonstruktion», bei der viele Vorgänge selbstgesteuert ablaufen. Der Fachbegriff dafür ist «cheap design». Diesem haben sich heute viele Roboterforscher verschrieben, Pfeifer ist hier einer der führenden Köpfe. Die Fachwelt hat den Gedanken aufgegeben, Intelligenz liesse sich allein auf dem Gebiet der Algorithmen abhandeln.

 

Rodney Brooks, heute Direktor des hochrenommierten Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory des MIT in Massachusetts, prägte den Satz, von dem heute der Grossteil der Forschergemeinde überzeugt ist: «Intelligence must have a body.» Ohne Körper keine Intelligenz. Intelligenz braucht, so der Fachbegriff, «Embodiment».

 

Intelligentes Verhalten ist nach heutiger Auffassung nicht hauptsächlich das Ergebnis von Rechenprozessen, sondern entsteht aus Denken, Morphologie, Materialeigenschaften und Interaktion mit der Umwelt. Es nützt nichts, wenn eine Robotersimulation in einer künstlich programmierten Welt zwar tadellos zurecht kommt, in der realen Welt aber an einfachsten Dingen scheitert. Auke Jan Ijspeert, Assistenzprofessor an der EPF Lausanne, meint treffend: «Eigentlich ist Fahrrad fahren viel schwieriger als Schach spielen.»

Lange waren viele Roboter bis unter die letzte Schraube mit Rechenleistung vollgestopft, nur um einigermassen passabel auf zwei Beinen geradeaus laufen zu können. Das kleinste Hindernis stellte sie vor Probleme. Eine Spinne dagegen ist trotz ihres Minihirns flink auf acht Beinen unterwegs. Pfeifer: «Vieles erledigt die Anatomie von selbst. Das Gehirn muss nur wenige Signale geben.» Gehirn und Körper sind eine untrennbare funktionale Einheit. Daher lässt sich die Roboterforschung immer stärker von Evolution und Biologie inspirieren.

 

Die Disziplin «Künstliche Intelligenz» ist keine reine Computerwissenschaft mehr, sondern interdisziplinär wie nie. Hier arbeiten Philosophen, Ingenieure, Informatiker, Physiker, Biologen und Neurowissenschaftler Hand in Hand. Rodney Brooks erklärt das schlicht: «Mit künstlicher Intelligenz ist es ein wenig wie mit Microsoft-Software. Selbst wenn es möglich wäre, sie zu verstehen – ein einzelner Mensch könnte es nicht.» Statt komplizierte Systeme zu bauen, die sich nur in einer simulierten Welt bewegen können, die beispielsweise die Schwer- und Fliehkraft ignoriert, versucht man, einfache Systeme zu konstruieren, die sich in der realen Welt behaupten müssen, und so der Intelligenz auf die Spur zu kommen.

So haben die Roboterhunde, die durch Pfeifers Labor wuseln, statt Hightech schlichte mechanische Federn in den Kniegelenken. Nicht dank horrender Rechenleistung knickt ein angehobenes Bein zum nächsten Schritt auf den Boden zurück, sondern aufgrund simpler Physik. Wie beim echten Hund auch. Eine simple Moosgummiplatte an den Hundefüssen dämpft die Schritte und gleicht Unebenheiten aus – etwas, das man gleichwertig nur mit viel Rechenleistung erreichen könnte. Ziel ist, nur noch für unbedingt notwendige Steuerungen Algorithmen zu bemühen und den Rest Physik und Schwerkraft zu überlassen. Das klingt trivial, ist aber ein Gedanke, der sich in der Forschergemeinde erst durchsetzen musste.

 

Bewegungen sollen möglichst ohne Rechenleistung ablaufen

Zudem haben Roboter einen weiteren Vorteil: Man sieht sofort, woran etwas hakt. Entweder die Maschine bewegt sich wie gewünscht, oder sie bleibt irgendwo im Bewegungsfluss stecken. Ursachensuche bei Computersimulationen ist wesentlich komplexer. Natürlich wird erst im Computer simuliert, bevor man sich nach Überwinden der Kinderkrankheiten an die Herstellung eines realen Roboters macht. Aber eine scheinbar perfekte Simulation heisst noch nicht, dass der Roboter sich auch in der realen Welt bewährt.

Pfeifer erklärt: «Auch wir Menschen erzeugen unsere eigene Sensorstimulation. Ich sehe irgendwo hin, schätze Entfernungen ab und erzeuge Korrelation zwischen verschiedenen Sensorkanälen, indem ich nach einer Flasche greife und sie dann zwischen den Fingerspitzen fühle.» Wahrnehmung und Manipulation von Objekten sind Knackpunkte, an denen die weltbesten Forscher tüfteln. Kleinkinder müssen noch alles anfassen und in den Mund nehmen, um die Materialeigenschaften auszuprobieren. Erwachsene können diese bereits durch blosses Anschauen einschätzen. Ohne Embodiment kann künstliche Intelligenz kaum solch schwierige Aufgaben lösen wie etwa, eine Flasche zu lokalisieren, ihr Gewicht einzuschätzen, sie mit der richtigen Kraftmenge anzuheben und heranzuholen.Bei Pfeifer laufen zweibeinige Roboter durchs Labor, mühen sich metallene Hunde auf dem Laufband, schwimmen Fische in einem riesigen Aquarium, die anmuten, als wären sie aus der Materialkiste einer Primarschulklasse entstanden. Alles nur, um etwas auf den ersten Blick so simples wie die Bewegung mit künstlicher Intelligenz zu meistern. Hauptherausforderung ist, möglichst wenig Rechenleistung zu benötigen. Die Konstruktion soll sich durch geschickt gewählte Materialien so weit wie möglich selbst steuern.

 

Labor ein wenig wie eine riesige, geschäftige Bastelstube wirken. Allerdings werden dort hochkomplexe Dinge erprobt. Auch ein sehr greifbares Projekt kann man dort sehen: Doktoranden arbeiten

am Nachbau einer menschlichen Hand, die Unterarmamputierte eines Tages mittels schlichter Muskelsignale steuern können sollen. Pfeifers Ziel auch hier: Möglichst viel soll ohne Rechenleistung ablaufen. Die Hand schliesst sich dank ihrer Konstruktion ebenso wie die menschliche Hand: Alle Finger treffen sich von selbst in einem Punkt der Handfläche. Es braucht lediglich den Impuls zum Schliessen der Hand, niemand muss

berechnen, wo die Fingerspitzen auftreffen sollen.

 

Modulare Roboter sollen selbst entscheiden, was sie sind

An der EPF in Lausanne wird ebenfalls geschraubt, aber vorrangig programmiert. Hier wird beispielsweise intensiv an «central pattern generators» gearbeitet. Diese sollen Muster für Bewegungen erzeugen, die nicht durch selbstgesteuerte physikalische Vorgänge der Bauteile ablaufen können – ohne dafür Rechenleistung einer zentralen Steuereinheit zu benötigen. Ziel ist es, die Bewegungsmuster-Erzeugung im Rückenmark nachzuempfinden.

Aber auch an der EPFL gibt es kaum ein Labor ohne Roboter. Assistenzprofessor Auke Jan Ijspeert beispielsweise interessieren vor allem Roboter, die viele Freiheitsgrade haben. «Roboter auf Rädern sind zu einfach zu kontrollieren», findet Ijspeert. Sein Ziel: Irgendwann einmal sollen seine schlangenartigen Roboter für Inspektionszwecke genutzt werden oder in schmale Spalten kriechen und Erdbebenopfer aufspüren. «Die

Roboter sollen sich selbständig bewegen,

so dass sich die Rettungstruppen auf die

Ortung der Opfer konzentrieren können.» Daneben wird an der EPFL auch an «Yamor» gearbeitet. Das sind Roboter, die aus einzelnen baugleichen Teilen bestehen und beliebig zusammengesetzt werden können. Die Teile sollen selbständig herausfinden, was für ein Gebilde sie darstellen, und die jeweils für das Ganze günstigste Fortbewegungsart finden. Diese Forschung betreiben weltweit nur zwei weitere Gruppen, eine in Japan, die andere in den USA. Diese wird von der Nasa finanziert, die für die Planetenerkundung modulare, selbstgesteuerte Roboter braucht, bei denen der Ausfall eines Teiles von den anderen kompensiert werden kann. Bisher werden Marsfahrzeuge komplett von der Erde ferngesteuert. Wehe, ein Bauteil fällt aus oder das Gerät fährt sich fest.

An der ETH Zürich forscht Roland Siegwart, der vor kurzem von der EPFL hierher wechselte, an autonomen Systemen. Für ein europäisches Projekt soll ein ganz normaler Smart so umgebaut werden, dass er selbständig fahren und zudem dreidimensionale Pläne seiner Umgebung zeichnen kann. Für die ESA baut Siegwart an einem Flugroboter. Der soll eines Tages als Solarflugzeug auf dem Mars eingesetzt werden. Zwar funktioniere der schon recht passabel, ein Problem habe man aber dennoch, so Siegwart. Es fehle an Batterien mit der nötigen Kapazität. Noch sei sie zweieinhalb Mal zu klein. Zudem möchte Siegwart einen Roboter für die Marsmission 2011 bauen, hier allerdings hakt das Projekt noch auf politischer Ebene.

 

Am IDSIA in Lugano (Istituto Dalle Molle di Studi sull’Intelligenza Artificiale) wird kaum mehr geschraubt. Hier arbeiten vorrangig Mathematiker. Ihr prestigeträchtigstes Projekt zurzeit ist ein Algorithmus, der das Verhalten von Ameisen nachempfindet. Diese hinterlassen bei der Suche nach Futterquellen Duftspuren. Je ergiebiger die Quelle, desto mehr Ameisen nutzen denselben Weg und desto intensiver wird die Duftspur. Das wiederum lockt weitere Ameisen in diese Richtung. Spuren zu nicht mehr ergiebigen Futterplätzen verblassen dagegen mit der Zeit. Aus diesem in der Natur sehr effizienten System entwickeln die Forscher in Lugano Algorithmen, die in der Logistik Anwendung finden. Sie ermöglichen, auf flexible Weise sinnvolle Wege zum Ziel zu finden. Ist ein Weg blockiert, ergeben sich neue.

Und sonst? Wohin soll das alles führen? Gibt es heute schon praktischen Nutzen, der aus dem Elfenbeinturm zu uns dringt? Und ob: Die meistbenutzte Internetsuchmaschine Google wäre ohne künstliche Intelligenz nicht denkbar (siehe Kasten), Spracherkennung oder Korrekturprogramme am Computer ebenfalls. Wir nehmen sie fast schon als selbstverständlich wahr.

 

Als Forschungsplatz mischt die Schweiz bei KI und Robotertechnik selbstbewusst ganz vorne mit. Aber werden aus der Forschung auch irgendwann Arbeitsplätze in der Schweiz entstehen? Auke Jan Ijspeert ist davon überzeugt, macht aber gleich Einschränkungen: «Wie in der ganzen KI wurde viel zu früh viel zu viel versprochen.» Eine echte Industrie werde aus KI noch lange Zeit nicht entstehen. Aber es gebe durchaus Perspektiven: «In der Medizin werden Gelähmte, Schlaganfallpatienten und Amputierte dank Robotertechnik vieles leichter haben. Dazu kommen Roboter für Spezialeinsätze, etwa bei riskanten Feuerwehreinsätzen, für Erkundungs- und Inspektionszwecke.» In

naher Zukunft seien Arbeitslätze in der

Spielindustrie am realistischsten: «Spieler wollen immer wirklichkeitsnähere Umgebungen. Ich kann mir vorstellen, dass es künftig nicht mehr genügt, gute Grafik zu haben. Es wird eine realistische physikalische Umgebung brauchen, welche die Schwerkraft berücksichtigt, bei der die Figuren auch einmal ins Stolpern geraten und, und, und. Dann tauchen die gleichen Probleme auf, die wir mit unseren Robotern zu lösen versuchen.» Zudem gebe es interessante Möglichkeiten im Bereich intelligentes Spielzeug und Spielzeugroboter. Die Produktion in Europa sei allerdings zu teuer, Design und Marketing könnten aber durchaus hier angesiedelt sein.

Roboterbau schafft aber heute schon

Arbeitsplätze, wenn auch manchmal etwas kurioser Art. Einem Spin-off der EPFL, dem «K-Team», gelang es beispielsweise, einen besonders medienträchtigen Auftrag an Land zu ziehen. Eigentlich baut das Unternehmen Roboter, mit denen an Schulen und Universitäten das Programmieren solcher Maschinen geübt wird. Aber nicht nur das: Das Emirat Katar wandte sich hilfesuchend an die Entwickler: Man brauche einen Kamelreitroboter für die dort sehr beliebten Rennen. Menschenrechtsorganisationen kämpfen seit Jahren gegen die Ausbeutung von Kindern im Kamelsport auf der Arabischen Halbinsel. Die Reiter bei den Kamelrennen sind traditionell kleine, leichte Jungen zwischen vier und sechs Jahren, die oft unter undurchsichtigen Bedingungen ihren Familien entrissen werden und sich bei den harten Rennen häufig verletzen. Nun sollen Roboter deren Aufgabe übernehmen. Ein 2,5-Kilometer-Testrennen bestritten sie im vergangenen Jahr bereits erfolgreich. Der mechanische Jockey wiegt 30 Kilogramm und kann aus knapp einem Kilometer Entfernung gesteuert werden. Über Sprechfunk erteilt der Kamelhalter dem Tier Befehle, der Roboter schwingt die Peitsche, lenkt das Kamel und treibt es an.

Die Kamele merken kaum einen Unterschied. Allerdings nahmen sie die seltsamen Dinger auf ihrem Rücken erst ernst, als die Prototypen eine halbwegs menschliche Form erhalten hatten und zudem grosszügig mit einem in Katar sehr beliebten Männerparfüm eingesprüht worden waren. Zurzeit wird im Emirat eine Fabrik errichtet, welche die Serienproduktion der Blechknaben übernimmt.

 

Im Grossen und Ganzen wollen die Forscher immer noch das Gleiche wie ihre Urväter vor 50 Jahren. Nur sind sie realistischer geworden. Lange genug hatte man die Machbarkeit überschätzt und gar nicht wahrgenommen, wie komplex Intelligenz tatsächlich ist. Was die Forscher in den nächsten Jahrzehnten erreichen wollen, wirkt auf den ersten Blick viel bescheidener als die grossen Visionen von 1956. Damals wollte man Maschinen schaffen, die dem Menschen an Denkvermögen weit überlegen sind, und hielt das für realistisch und zudem in überschaubarer Zeit durchführbar. Heute hofft man, so fasste es Rodney Brooks an einer Konferenz zum 50-jährigen Jubiläum der KI-Forschung in Ascona vor kurzem zusammen, in fünfzig Jahren Roboter mit folgenden Fähigkeiten zu bauen: dem manuellen Geschick eines sechsjährigen Kindes, der visuellen Objekterkennung eines Zweijährigen, der Sprache eines Vierjährigen und der sozialen Kompetenz eines Zehnjährigen. Und hofft, diesmal realistische Ziele gesetzt zu haben.