Intelligent durch Teamwork

Noch steckt die Schwarm-Robotik in den Kinderschuhen, aber sie gilt als Zukunftsmodell für viele Aufgaben

Wie es funktioniert, machen Ameisen vor: Den kürzesten Weg zwischen Nest und Beute - ein komplexes Problem - finden sie, ohne dass jede einzelne Ameise die Übersicht über das ganze Areal hätte. Ein bescheidener Satz von Signalen und einige einfache Verhaltensregeln reichen aus, damit aus dem beschränkten Verhalten von Individuen eine intelligente Leistung des Kollektivs wird. Dieses Prinzip dient seit Ende der 1990er Jahre auch in der Robotik als Vorbild: Für sich genommen simple Roboter, deren Handlungsmöglichkeiten und Wahrnehmungssysteme stark begrenzt sind, formieren gemeinsam ein intelligentes System. Neu daran ist, dass solche Systeme keine zentrale Steuerung haben: Der Maschinenschwarm muss sich selbst koordinieren, flexibel und autonom – wie die Ameisen. Und wie bei den Insekten entsteht das Kollektiv-Verhalten im Prozess: Aus den Interaktionen zwischen den Robotern und ihrer Umwelt und der Roboter untereinander.

Robust, flexibel und teamfähig

Bei Bedarf verbinden sich die einzelnen S-bots zu einem Swarm-bot, einem Roboterschwarm: selbständig und ohne zentrale Steuerung

Auch die Vorteile schlauer Schwärme gegenüber intelligenten Einzelkämpfern zeigen sich an Insekten. Bei Ameisen funktioniert das Kollektiv auch dann noch, wenn einzelne Individuen ausfallen. Andere Tiere übernehmen die Aufgaben der Kollegen und fügen sich neu in das Kollektiv ein. Dieses Prinzip ist auch für die Robotik interessant, aus ganz pragmatischen Gründen: Wenn ein einzelner großer Roboter kaputt ist, fällt er aus – und ist unter Umständen nicht ohne weiteres zu ersetzen. Statt eines einzigen großen, komplexen und teuren Roboters könnte man daher, so die Überlegung, viele kleinere, simplere – und daher billigere – Roboter einsetzen. Man muss sie nur so organisieren, dass das Kollektiv weiter arbeiten kann, wenn eines der Geräte kaputt geht. Doch nicht nur der Ausfall eines Einzelnen kann ein Schwarm verschmerzen: Wenn viele kleine Roboter zusammenarbeiten, kann die Gruppe Aufgaben lösen, die ein einzelner, noch so großer Roboter alleine nicht bewältigen kann, etwa den Transport eines schweren Objekts. Und: Roboterschwärme sind flexibler als Einzelgeräte, sie können sich an unterschiedliche Umweltbedingungen und Aufgaben anpassen. Je nach Aufgabe, zum Beispiel je nach Größe und Schwere des zu transportierenden Objektes, könnten sich 10, 100 oder auch 1000 Roboter zu einem Schwarm zusammenschließen.

Einfache Regeln führen zur Intelligenz der Gruppe

Ein Swarm-bot kann, was ein einzelner Roboter nicht kann: beispielsweise ein Hindernis überwinden, das für den einzelnen Roboter zu steil wäre

Das alles mag sich anhören wie pure Science-Fiction, aber Prototypen für solche Roboter-Schwärme gibt es schon, zumindest in den Forschungslabors. Eines der ambitioniertesten Projekte ist "Swarm-bots", ein europäisches Forschungsprojekt unter Federführung des Instituts für künstliche Intelligenz (IRIDIA) an der Universität Brüssel. Ein Swarm-bot ist eine Gruppe von mobilen Robotern, den S-bots, die sich selbstständig, je nach Aufgabe, miteinander verbinden und wieder voneinander lösen können. Jeder einzelne S-bot hat einfache Sensoren und Motoren sowie einen Greifarm zur physischen Verbindung mit anderen S-bots. Durch farbige Lichtsignale und eine Kamera können die Roboter einfache Signale austauschen. Der Swarm-bot soll sich als Ganzes bewegen und unterwegs, falls nötig, seine Anordnungsstruktur verändern, wenn es etwa darum geht, eine enge Passage zu durchqueren oder ein Hindernis zu überwinden, mit dem ein einzelner S-bot überfordert wäre. Dabei formiert sich der Schwarm nach einfachen Regeln der Selbstorganisation, die jeder einzelne S-bot befolgt – zum Beispiel: "Wenn du einen rot leuchtenden Roboter siehst, dann verbinde dich mit ihm", oder: "Wenn du feststellst, dass du ein Hindernis nicht alleine überwinden kannst, dann schalte auf Grün". Ein zentrales Kommando gibt es nicht.

Schwärme – die Zukunft der Robotik?

Von Ameisen abgeschaut: Roboter bilden einen Pfad zwischen "Nest" und "Beute". Alleine wären sie dazu nicht in der Lage – der Wahrnehmungs-Radius des einzelnen Roboters ist zu klein

In der Weltraumforschung, unter Wasser oder in verseuchten Gebieten könnten künftig solche Roboterschwärme eingesetzt werden. Im europäischen I-Swarm-Projekt, an dem unter anderem die Universitäten Karlsruhe und Stuttgart beteiligt sind, denkt man in eine andere Richtung: Hier sollen Schwärme tausender mikroskopisch kleiner Roboter sogar Operationen im menschlichen Körper ausführen. Doch noch sind die künstlichen Schwärme ihren biologischen Vorbildern weit unterlegen. Swarm-bot-Erfinder Marco Dorigo von der Universität Brüssel gilt als Pionier der Schwarmintelligenz und bleibt bescheiden: "Das Komplexitäts-Level eines richtigen Schwarms und einem künstlichen ist noch nicht vergleichbar. Unsere Roboter sind viel einfacher, ihre Hardware ist viel simpler. Ich glaube, dass die Robotik noch einen langen Weg vor sich hat, bis sie ein Komplexitäts-Level erreicht hat, das mit dem natürlicher Schwärme nur annähernd vergleichbar wäre." Vorläufig geben sich Dorigo und sein Team damit zufrieden, dass ihr Roboterschwarm scheinbar einfache Aufgaben löst, wie zum Beispiel einen Pfad zu bilden, an dem entlang eine "Beute" zum Nest transportiert werden kann. Das allerdings machen sie schon fast so gut wie Ameisen.