Nach tierischem Vorbild Roboter-Hund lernt in einer Stunde das Laufen
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20. Juli 2022, 14:32 Uhr
Forschenden ist es gelungen, einen Roboterhund zu entwickeln, der innerhalb kürzester Zeit das Laufen lernt. Der Roboter arbeitet dabei wie ein neugeborenes Tier – das macht ihn auch besonders energieeffizient.
Neugeborene Tiere kommen mit allen nötigen Muskeln und Sehnen zur Welt, um perfekt zu laufen. Aber: zunächst stolpern sie viel – sie müssen das Laufen erst einmal lernen. Bis die Koordination funktioniert, helfen den Tieren ihre Reflexe. Sie stolpern zwar, fallen aber nicht hin. Auf diese Weise üben sie, ihre Muskeln zu kontrollieren, bis irgendwann das Nervensystem im Rückenmark gut ans Laufen angepasst ist – ab diesem Zeitpunkt laufen Jungtiere dann genauso gut und sicher wie ihre Eltern.
Roboter mit natürlichem Vorbild
Diesen aus der Natur abgeleiteten Lernprozess macht sich ein Roboterhund des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme zunutze. Der vierbeinige Roboter stolpert zunächst durch die Gegend – aber schon nach einer Stunde (also deutlich schneller als seine Vorbilder aus dem Tierreich) kann er perfekt laufen. Gesteuert werden die Bewegungen vom virtuellen Rückenmark des Roboterhundes.
Wenn der Roboterhund zu Laufen beginnt, nimmt ein Lernalgorithmus die Arbeit auf. Sensorinformationen von allen vier Füßen des Roboters werden kontinuierlich mit den Solldaten des Computers abgeglichen. Indem der Roboter die gesendeten Bewegungsmuster kontinuierlich an die Informationen, die er von den Sensoren bekommt (die Ist-Daten) angleicht, verbessert er sich.
Das Rückenmark spielt eine wichtige Rolle
Der Lernalgorithmus wiederum beeinflusst einen Central Pattern Generator, der Bewegungsmuster generiert. Der bildet quasi künstlich nach, was Menschen und Tiere ebenfalls besitzen: Bei uns sitzen diese "Mustergeneratoren" im Rückenmark und veranlassen selbstständig und ohne Beteiligung des Gehirns rhythmische Muskelkontraktionen. Das spielt eine wichtige Rolle fürs Gehen, Blinzeln oder die Verdauung. Bei neugeborenen Tieren ist dieser Bewegungsgenerator im Rückenmark noch nicht genau eingestellt: wenn sie auf eine Unebenheit stoßen, stolpern sie oft. Dann schalten sich Reflexe ein, die verhindern, dass das Tier hinfällt.
Sensorinformationen werden kontinuierlich abgeglichen
Der Labrador-große Roboterhund am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme arbeitet ähnlich: Daten der Sensoren an den Füßen des Roboters werden kontinuierlich mit den Signalen des Central Pattern Generator abgeglichen. Dementsprechend passt der der Lernalgorithmus an, wie weit die Beine vor und zurück schwingen, wie schnell sie schwingen und wie lange ein Bein am Boden bleibt.
Felix Ruppert hat den Roboterhund "Morti" im Rahmen einer Forschungsarbeit gebaut. Er erklärt: "Unser Roboter wird sinnbildlich geboren und weiß nichts darüber, wie seine Beine funktionieren". Der Central Pattern Generator funktioniere wie eine eingebaute automatische Laufintelligenz, die die Natur uns bereitstelle. Nun habe man dieses Prinzip auf den Roboter übertragen.
Der Roboterhund ist besonders energieeffizient
Ein Vorteil des Roboterhundes nach tierischem Vorbild ist seine Energieeffizienz: Nach Angaben der Forschergruppe verbraucht er deutlich weniger Energie als vergleichbare Modelle bekannter Hersteller, die mithilfe von komplexeren und aufwändigeren Systemen das Laufen gelernt haben. Ihre Computer verbrauchen oft bis zu mehreren Hundert Watt Strom – der Computer des Roboterhundes von Felix Ruppert und seinem Team verbraucht lediglich fünf Watt.
Links/Studien
Die Studie "Learning plastic matching of robot dynamics in closed-loop central pattern generators" im Journal Nature Machine Intelligence gibt's hier zum Nachlesen.
iz
