Wie gelangt ein Roboter von A nach B? Rollend, schlängelnd, krabbelnd, gehend, hüpfend, fliegend, schwimmend. Und das ist nicht alles. Die Artenvielfalt der mobilen Roboter ist kaum mehr zu überschauen. Da muss sich die Robotik, wie einst die Biologie, Ordnungsprinzipien einfallen lassen.
Hier kommt ein Vorschlag: mobile Roboter nach der Art ihrer Fortbewegung zu sortieren, und zwar der Einfachheit halber anhand der biologischen Evolution.
Also wäre mit schwimmenden und tauchenden Robotern zu beginnen, denn alles Leben entstand im Wasser (auch wenn die ersten Mobilroboter Landtiere waren, genauer: schildkrötenartige Wesen auf drei Rädern). An aquatischen Robotern ist das Militär interessiert, denn sie könnten in Flachgewässern als Horchposten, Aufklärer und Kampfschwimmer Dienst tun. Sie kommen auch als Spielzeug in Frage.
Die am weitesten entwickelten Geschöpfe der Ichtyorobotik (Fischrobotik) schwimmen im Bassin des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Schon 1994 wurde ein Roboter-Thunfisch namens Charlie zu Wasser gelassen, der nicht nur mit den Flossen schlägt, sondern auch die Technik echter Thunfische einsetzt: Er bewegt sein rückwärtiges Ende derart, dass Wasserwirbel mit einander entgegengesetztem Drehsinn entstehen, und zwischen den Wirbeln schiesst ein energiereicher Wasserstrahl nach hinten, der das Tier vorwärts schiebt.
Ein jüngerer Verwandter von Charlie ist der Roboterhecht Wanda; seine Schöpfer wählten den Hecht als Vorbild, weil der schlanke Fisch zwei herausragende Eigenschaften hat: Er kann besonders stark beschleunigen und schnell wenden. Die Besonderheit von Wanda ist sein Skelett, das aus zwölf kreisförmigen Gräten besteht und extrem biegsam ist, was dem Kunstfisch schlangengleiche Eleganz verleiht.
Schlangen eignen sich erst recht als natürliches Vorbild für Roboter. Zum einen, weil schlängelnde Maschinen in Rohren, Kanälen und anderen Arterien der menschlichen Zivilisation sinnvolle Dienste leisten könnten - von der Inspektion bis zur Reparatur; zum anderen, weil sie eine wichtige Forderung der Konstrukteure erfüllen: Redundanz. Damit ist zweierlei gemeint. Erstens: Sie bestehen aus vielen gleichartigen Gliedern, und wenn eines ausfällt, übernehmen die anderen seine Funktion. Zweitens: Ein redundanter Roboter kann sich auf vielerlei Weisen winden, um sein Ziel zu erreichen, und wenn ihm eine bestimmte Bewegungssequenz nicht möglich ist, findet er eben eine andere - er kommt überall durch.
Schlangenrobotik gibt es seit den siebziger Jahren; zur Avantgarde auf dem Gebiet zählen der Japaner Shigeo Hirose, der Kalifornier Joel W. Burdick sowie ein paar junge Robotiker der GMD, des deutschen Forschungszentrums für Informatik. Ihre Geschöpfe lassen sich auf spezialisierten Websites bewundern. Obwohl sie einander stark ähneln (was kaum verwundert), unterscheiden sich ihre Bewegungsapparate doch stark voneinander.
Der Robotiker, der eine Schlange bauen will, muss allerhand Entscheidungen treffen: sollen die Glieder zentral gesteuert werden, oder sollen sie, jedes mit einem kleinen Rechner ausgestattet, miteinander kommunizieren? Sollen die Glieder gewissermassen verkettete Fahrzeuge sein, oder soll sich der Roboter undulatorisch fortbewegen? Letzteres ist ein Begriff aus der Zoologie und bedeutet, dass die Motoren die Glieder lediglich seitwärts schwenken lassen; sie bewegen sich also wie ein Autoanhänger um die Hochachse seiner Kupplung, so dass sich vom Kopf bis zum rückwärtigen Ende Wellenbewegungen fortpflanzen, die dem Ganzen eine nach vorne gerichtete Kraft verleihen.
Das klappt nur, wenn zwischen Schlange und Untergrund ausreichend Reibung stattfindet - aber gerade das ist auch misslich, denn je mehr Reibung, desto weniger präzise lässt sich der Roboter steuern. Und langsam ist er noch dazu.
Also? Beine. So lautet die Antwort der Evolution.
Nahezu in allen Robotiklabors machen die Menschen den Maschinen Beine, mal sind es acht, häufig sechs, zuweilen zwei, aber es gibt auch einen siebenbeinigen Roboter sowie ein paar Hüpfer, denen ein Bein genügt (die müssen freilich noch mit einem Band gesichert werden, damit sie nicht nach ein paar Luftsprüngen umkippen). Nicht nur die Models der Modebranche, sondern auch Roboter kommen mit ihren Beinen fast überall hin. Sie können Hindernisse überschreiten, Höhen und Tiefen sachte ausgleichen.
Robotiker unterscheiden zwischen statischer und dynamischer Stabilität. Ein statisch stabiler Roboter steht zu jedem Zeitpunkt mit mindestens drei Füssen am Boden, und in der Mitte des Dreiecks liegt der Schwerpunkt der Maschine. Damit sie losmarschieren kann, benötigt sie also mindestens noch ein viertes Bein und eine Schreitfolge (Gangart), die es ihr erlaubt, zu jedem Zeitpunkt die Bewegung zu unterbrechen, ohne dass der ganze Apparat umkippt. Klassisch sind die Roboter vom Typ Frame Walker: Ihr Gehwerkzeug besteht meist aus zwei Rahmen, die wir uns im Prinzip wie Tische vorstellen dürfen, beide statisch stabil; sie bewegen sich alternierend - einer gibt Halt, der andere schiebt sich nach vorn. Frame Walkers werden häufig als Kletterer eingesetzt, an deren Füssen Saugnäpfe befestigt sind. Kletternde Roboter eignen sich als Gebäudereiniger und Werbetafeln; einige von ihnen inspizieren die Aussenhaut von Flugzeugen (etwa Andy von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh) oder, wie in Japan, die Korrosion von Hochhausfassaden.
Der Preis der Stabilität heisst Langsamkeit, wie im richtigen Leben. Damit der Roboter in die Gänge kommt, muss die Zahl der Beine mit Bodenhaftung verringert werden, am besten zeitweilig auf Null (wie beim Galopp). In diesen Fällen wird die Stabilität dynamisch erzeugt, gewissermassen von Fall zu Fall: Um nicht umzukippen, muss der Roboter seine Beine bewegen. Das Leg Lab des MIT hat eine Vielzahl dynamisch stabiler Roboter hervorgebracht. Während die Einbeiner Strategien des Hüpfens erproben, bewegen sich die dynamisch stabilen Sechs- und Achtbeiner mit Gangarten durch die Räume, die Insekten, Spinnen und Pferden abgeguckt wurden.
Schwierig sind Zweibeiner. Doch in letzter Zeit wurden auch davon immer mehr gebaut. Der Mensch ist nun einmal ein Narziss. Der japanische P3, ein zweibeiniger Robot der Firma Honda, gleicht eher einem Astronauten als einer Maschine. Er ist 1,60 Meter hoch, wiegt 130 Kilo, kann gehen und - ein wenig plump - mit simplen Gegenständen hantieren. Das jüngste unter den zweibeinigen Maschinengeschöpfen dürfte Rob-UH von der Universität Hannover sein. Er wurde auf der diesjährigen Industriemesse vorgestellt, denn Rob-UH soll durchaus praktischen Zwecken dienen: als autonomer Service-Roboter, der jede Treppe bewältigen kann und dem Menschen dies und jenes herbeischleppt oder ihm die unangenehme Aufgabe abnimmt, kontaminierte Gebäude abzusuchen. Für solche Maschinen interessiert sich auch die Sicherheits-Community: In gefährlichen Situationen könnte beispielsweise die Polizei einen Metallkollegen vorschicken, bevor die Beamten selbst ein Gebäude betreten. Zu diesem Zweck wurde an der University of Minnesota ein kleiner hüpfender Roboter gebaut: Er ist röhrenförmig, im Durchmesser vier Zentimeter und kaum zehn Zentimeter lang. Zwar rollt er auf Rädern, doch beim Bewältigen von Treppen hilft ihm ein kleiner Sprungfuss.
Was hat die Natur noch hervorgebracht? Richtig, das Fliegen. In diesem Fall allerdings muss sich die Robotik nichts konstruktiv Neues einfallen lassen, denn es gibt ja Flugzeuge und Hubschrauber. Hier ist die Steuerung das Problem, nicht aber die Gestalt des Bewegungsapparats. Und damit sind wir bereits bei der zweiten Evolution angekommen: Bei den Bewegungsmechanismen, für die es kein natürliches Vorbild gibt, die vielmehr der Mensch ersonnen hat. Hier ist zuallererst das Rad zu erwähnen.
Tolle Erfindung. Unsere zivilisatorische Umgebung hat sich ihr weitgehend angepasst; der Mensch ist zum Flachlandtier geworden, das mit Radfahrzeugen umherrollt.
Radroboter sehen wie Dreiräder, ganz normale Autos oder wie Radpanzer aus; ihre Konstruktion bietet interessante, aber keine aufregenden Probleme. Die Robotik kann freilich auch anders und lässt beispielsweise den Gyrover anrollen: der ist im Prinzip ein Gummireifen. Wozu soll so was gut sein? Nun, argumentieren Yangsheng Xu und Ben Brown von der Carnegie Mellon University, man sehe sich einmal einen Autoreifen an, der einen Berg hinabrollt: Er überwindet erstaunlich viele Hindernisse und bleibt stabil, solange er schnell rollen darf - wie ein Fahrrad. Aus dieser Beobachtung lässt sich in der Tat einiges lernen. Es gibt, wie so oft in der Robotik, einen Tauschhandel: Je mehr statische Stabilität ein Roboter aufweist, desto weniger dynamische Stabilität, und umgekehrt. Denken wir uns ein Fahrzeug mit vier Rädern und grosser Grundfläche: Es wird nicht leicht umkippen, aber wenn es bei hohem Tempo auf rauhes Terrain gerät, greifen starke dynamische Kräfte seine Räder an und es wird zittern und schlingern; seine Grundfläche, die ihm statische Stabilität verleiht, dient den dynamischen Störungen als Hebel. Die radikale Lösung heisst: nur ein einziges Rad oder gar selbst zum Rad werden.
Gyrover ist ein luftgefüllter Gummireifen, dessen Tempo und Richtung von einem frei beweglichen Schwungrad gesteuert wird, das sich im Inneren des Gefährts befindet. Bei hohem Tempo bleibt Gyrover von selbst stabil, bei geringer Geschwindigkeit hilft das Schwungrad nach. Mehr noch: Wenn Gyrover auf der Seite liegt, dann kann er mit Hilfe seines Schwungrads in Bewegung und schliesslich sogar zum Aufrichten gebracht werden. Der Roboterreifen hat einen Durchmesser von 34 Zentimeter und könnte, so hoffen seine Schöpfer, zu Aufklärungs- und Überwachungszwecken eingesetzt werden. Oder auf dem Mond, wo er mangels aerodynamischer Störungen besonders flott umherrollen dürfte.
Doch sobald ein Radroboter auf Hindernisse stösst, die deutlich höher sind als sein Radius, rollt nichts mehr. Dann kommen die Ketten zum Einsatz. Es gibt kettengetriebene Roboter, die zwanzig Zentimeter, und solche, die fünf Meter lang sind. Eine Vielzahl von ihnen befindet sich bereits im Einsatz: als Inspektions- und Reparaturmaschinen in Kernkraftwerken, als Bombenentschärfer und Minenräumer. Verwandt mit ihnen ist der Prototyp einer amerikanischen Pioniermaschine namens «Spiral Tube All Terrain Robot»: die fährt anstatt auf Ketten auf zwei Schrauben, die sich ins Gelände krallen und enorme Stabilität beim Vorwärts-, Rückwärts- und Seitwärtskriechen verleihen.
Komisches Ding. Doch nun kommt es noch verrückter: «Shape Changing Robots» - also solche, die sich bewegen, indem sie ihre Form verändern. Die Idee ist gut zehn Jahre alt und stammt von Joe Michael, einem britischen Softwareentwickler. Michael ersann Würfel unterschiedlicher Grösse, die mit Hilfe einer Mechanik aneinander entlanggleiten, miteinander kommunizieren und sich zu kompletten Robotern verhakeln - mit oder ohne Beine, als Beam Walker oder einfach als schlangenähnliche Gebilde, die sich fortbewegen, indem sich das letzte Glied abmontiert und vorne wieder anbringt. Roboter, die aus vielen selbständigen Gliedern bestehen und sich rekonfigurieren können, wären Anpassungskünstler ersten Ranges.
An der Carnegie Mellon University wird derzeit mit solchen Gliedern experimentiert: Sie heissen I-Cubes und sind Würfel, an denen sich jeweils ein Arm befindet, der als Manipulator, Datenkanal und mechanisches Verbindungselement zu anderen Würfeln dient. Wenn sich mehrere solcher Würfel zusammentun und einander über ein Hindernis heben - ist das ein einziger Roboter oder eine Gruppe?
Die I-Cubes sind verwandt mit den «Platonic Beasts» von Dinesh Pai (University of British Columbia in Vancouver). Dabei handelt es sich um Oktaeder und andere platonische Körper, die mit Extremitäten versehen und stets statisch stabil sind; mit Hilfe der nicht am Boden befindlichen Arme (oder Beine, wie man will) bringen sie sich selbst aus dem Gleichgewicht, um dann wieder auf andere Füsse zu fallen - sie bewegen sich gewissermassen fallend voran. Diese Idee liegt auch den «Blobs» zugrunde, die am MIT umherkullern; sie haben - ähnlich wie biologische Einzeller - eine veränderliche Aussenhaut, nur eben aus Aluminiumscheiben anstatt aus Eiweiss. Sie wälzen sich, stabil, aber anpassungsfähig, sogar die Treppen hoch.
Das ist bestimmt nicht das Ende der Evolution. Die menschliche Phantasie wird noch vieles mehr hervorbringen, und wenn sich intelligente Roboter erst einmal selbst umkonstruieren, wird sich die Formenvielfalt erst recht erweitern. Spätestens dann wird es Zeit, dass die Robotik-Institute Systematiker einstellen: gesucht wird ein neuer Linnaeus, der die Klassen der künstlichen Geschöpfe definiert.
Gero von Randow ist Redaktor bei der Hamburger Wochenzeitung «Die Zeit» und Autor des Buches «Roboter. Unsere nächsten Verwandten» (Rowohlt Taschenbuch, 1998).