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Die Roboter schwärmen aus – Weiterentwicklung der Kommunikation fliegender Multi-Roboter-Systeme

Mithilfe von Computersimulationen und Prototypen entwickeln Max-Planck-Forscher die Kommunikation der Roboter untereinander weiter


Der Quadcopter ist ein kleiner, unbemannter Flugkörper, der an einen Hubschrauber erinnert. Es ist mit Sensoren ausgestattet, die fortlaufend seine Höhe und Beschleunigung messen. Mit Hilfe dieser Bewegungsdaten werden in der Bodenstation die Wahrnehmungen simuliert, die ein Pilot gespürt hätte, wenn er den Flug im Cockpit miterlebt hätte.  Bild: Martin Breidt / Max-Planck-Institut für biologische KybernetikTübingen, 29. August 2011. Wäre es nicht schön, wenn jeder Haushalt mit einem elektronischen Helfer ausgestattet wäre oder Roboter die Aufgaben erfüllen, die für Menschen lästig oder gefährlich sind? Was in Filmen wie „Der 200 Jahre Mann“ oder „I-Robot“ längst Alltag ist, steckt in der Realität noch in den Kinderschuhen. Paolo Robuffo Giordano erforscht am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen die Grundlagen, die für diese Techniken nötig sind. Er und sein Team befassen sich vor allem mit fliegenden Multi-Roboter-Systemen, die von einem menschlichen Operator einen Befehl bekommen, den sie in der Praxis weitgehend autonom ausführen.  

Paolo Robuffo Giordano ist Leiter der Arbeitsgruppe für Mensch-Roboter-Interaktionen in der Abteilung Wahrnehmung, Kognition und Handlung unter der Leitung von Heinrich Bülthoff am MPI für biologische Kybernetik. Sein Team experimentiert mit kleinen fliegenden Robotern, den Quadrokoptern, die die Wissenschaftler allgemein als UAVs – Unmanned Aerial Vehicles – bezeichnen. Die etwa 40 Zentimeter großen Quadrokopter werden in unterschiedlichen Formationen zu vier oder mehr Robotern zusammengestellt, die so programmiert sind, dass sie immer den gleichen Abstand zueinander einhalten. Gesteuert werden sie von einem menschlichen Befehlsgeber.  

Lautet der Befehl „Vorwärts fliegen!“, fliegen die UAVs vorwärts, ist ein Hindernis im Weg, umfliegen sie dieses selbständig und behalten dabei die vorgegebene Formation bei. Durch ein Force Feedback-Steuergerät bekommt der Pilot Rückmeldung – visuell, akustisch oder fühlbar, je nach Programmierung: Ist ein Objekt im Weg, dem die UAVs ausweichen müssen, lässt sich der Steuerhebel solange, bis sie es umflogen haben, nur noch schwer in die entsprechende Richtung schieben. „Es ist so, als würde man tatsächlich gegen eine Wand fliegen“, erklärt Giordano. Über Kameras „sehen“ sich die Quadrokopter gegenseitig und regeln autonom ihre relative Positionierung zueinander. Über einen Monitor verfolgen die Wissenschaftler die Anordnung der einzelnen Flugobjekte. „Wir untersuchen die grundlegenden Aspekte dieser Themen, welche für mögliche künftige Anwendungen notwendig sind“, sagt der Wissenschaftler „die Entwicklung und Programmierung der Roboter ist hauptsächlich Mathematik. Daher sehen wir uns selbst als Ingenieure.“  

Auch die Kommunikation der Roboter untereinander entwickeln die Forscher in Multi-Roboter-Systemen weiter. Dazu nutzen sie außer den UAVs auch Computersimulationen für ihre Experimente. Unter anderem werden große Formationen getestet, in denen die Roboter zwar keinen festen Abstand einhalten, aber immer mindestens einen anderen Roboter der Formation mit ihrem Kameraauge im Blick behalten müssen. Inspirationen für seine Forschungsarbeit holt sich Paolo Robuffo Giordano auch in der Natur. Die Schwarmintelligenz der Vögel ist in manchen Aspekten Vorbild für die Multi-Roboter-Systeme.  

Die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung von Paolo Robuffo Giordanos Team könnten in ganz unterschiedliche Anwendungsgebiete münden. Es ist etwa vorstellbar, eine Hand an den fliegenden Robotern zu montieren, um Objekte greifen und bewegen zu können. Ebenso ist eine Bestückung mit unterschiedlichen Sensoren denkbar, um verschiedene Umweltdaten effizient zu erfassen. „Diese Roboter könnten eine Erweiterung unserer eigenen Sinne sein“. Mit einer solchen Technik könnte man unbekannte oder eventuell gefährliche Gebiete, beispielsweise nach einem einem Erdbeben, absuchen, ohne Menschen dabei zu gefährden. Eine Anwendung in der Medizin bei der ein Schwarm winziger Nano-Roboter unter Aufsicht von Ärzten im menschlichen Körper Organe prüft, Gewebe bestimmt und sehr genau Medikamente an ihrem Zielort injiziert, kann sich Giordano für die Zukunft auch vorstellen.  


Weitere Informationen über die Forschung von Multi-Roboter-Systmen
 

Video Clips:
MPI Robotics
Multi-Roboter-Systeme (You Tube Video) 1
Multi-Roboter-Systeme (You Tube Video) 2
Multi-Roboter-Systeme (You Tube Video) 3
Multi-Roboter-Systeme (You Tube Video) 4
Multi-Roboter-Systeme (You Tube Video) 5


Ansprechpartner:
Paolo Robuffo Giordano
Tel.: 07071 601-211
E-Mail: paolo.robuffo-giordano(at)tuebingen.mpg.de  

Stephanie Bertenbreiter / Janna Eberhardt (Presse- & Öffentlichkeitsarbeit)
Tel.: 07071 601- 472 / -444
E-Mail: presse(at)tuebingen.mpg.de


Das Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik forscht an der Aufklärung von kognitiven Prozessen auf experimentellem, theoretischem und methodischem Gebiet. Es beschäftigt rund 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus über 40 Ländern und hat seinen Sitz auf dem Max-Planck-Campus in Tübingen. Das MPI für biologische Kybernetik ist eines der 80 Institute und Forschungseinrichtungen der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.


Der Quadcopter ist ein kleiner, unbemannter Flugkörper, der an einen Hubschrauber erinnert. Es ist mit Sensoren ausgestattet, die fortlaufend seine Höhe und Beschleunigung messen. Mit Hilfe dieser Bewegungsdaten werden in der Bodenstation die Wahrnehmungen simuliert, die ein Pilot gespürt hätte, wenn er den Flug im Cockpit miterlebt hätte.  Bild: Martin Breidt / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Der Quadcopter ist ein kleiner, unbemannter Flugkörper, der an einen Hubschrauber erinnert. Es ist mit Sensoren ausgestattet, die fortlaufend seine Höhe und Beschleunigung messen. Mit Hilfe dieser Bewegungsdaten werden in der Bodenstation die Wahrnehmungen simuliert, die ein Pilot gespürt hätte, wenn er den Flug im Cockpit miterlebt hätte. Bild: Martin Breidt / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Multi-Roboter-Systeme (hier vier Quadcopter) bekommen von einem menschlichen Steuermann einen allgemeinen Befehl und bewältigen die detaillierte Ausführung selbst (Hier das Umfliegen eines Hindernis). Bild: Sebastiaan de Stigter / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik