Intuitiv das Chaos beherrschen

Warum bislang Menschen besser als Roboter mit dem Ball spielen können

Möglicherweise wird es nichts mit der Vision, die der Fußballweltmeisterschaft der Roboter und anderer Turniere unserer nichtbiologischen Nachkommen zugrunde liegt, nämlich dass sie eines Tages besser als die beste Mannschaft von Menschen spielen werden. Das Problem liegt in der Ballbeherrschung oder in der Mathematik des Chaos bzw. der Möglichkeit, einen Ball ohne Beachtung der mathematischen Formeln intuitiv richtig zu treffen. Zumindest ist das vielleicht eine Konsequenz der Forschungsergebnisse von Dagmar Sternad und Kollegen von der Pennsylvania State University.

Bei Beobachtungen von Versuchspersonen, die einen Ball mit einem Schläger rhythmisch hüpfen lassen sollten, stellten die Wissenschaftler fest, wie sie in "Dynamics of a bouncing ball in human performance" (Phys. Rev. E 63, 011902, 2001) berichten, dass die Versuchspersonen irgendwie instinktiv den Ball richtig abprallen ließen. Gemessen wurde die Geschwindigkeit des Schlägers und des Balls sowie der Abprallwinkel. Das Aufprallen eines Balls auf einer ebenen Oberfläche wird oft als Modell für die Eigenschaften eines nichtlinearen, chaotischen Systems untersucht. Für die Wissenschaftler ist die Aufgabe, einen Ball mit einem Schläger immer wieder in die Höhe hüpfen zu lassen, eine motorische und sensorische Leistung, die alle wichtigen Probleme bei der körperlichen Koordination einbegreift. Einen Ball regelmäßig hüpfen zu lassen, erfordert, dass man mit dem Schläger zur richtigen Zeit, mit der richtigen Geschwindigkeit und der richtigen Stellung in Bezug auf die Flugbahn den Ball trifft.

Nur unter bestimmten Bedingungen hüpft der Ball regelmäßig auf dem Schläger. Aber kleinste Abweichungen lassen schon Störungen entstehen, die sich aufschaukeln, bis der Ball irgendwo hin fliegt, aber nicht mehr auf den Schläger zurück. Normalerweise können die Menschen natürlich nicht die Gleichungen des dynamischen Chaos berücksichtigen, aber auch nicht eine blitzschnelle Fehlerkorrektur durchführen, um die Störungen zu kompensieren. Das wäre die Methode, auf die bislang Roboter angewiesen sind, die eine für Lebewesen unübliche exakte Kontrolle der Bewegungen und eine ebenso genaue Sensorik benötigen. In komplexen Umgebungen führt dieser Ansatz der permanenten Korrektur zudem zu Behinderungen. Für menschliche Spieler sind überdies weder die genauer Geschwindigkeit des Balles noch die genauen Abpralleigenschaften des Schlägers bekannt, so dass notwendig Störungen auftreten und die eigentlich zu beherrschenden Gleichungen nicht eingehalten werden können.

Offenbar aber beherrschen die Menschen eine ungefähre, aber weitaus schnellere und zudem relativ erfolgreiche Lösung des Problems, die sich bei ihnen evolutionär entwickelt haben dürfte. Dynamisches Chaos ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen stabilen Attraktor oder auch mehrere gibt. Findet man diesen Attraktor, dann stürzt das System auch nicht gleich durch kleine Abweichungen ab. Die Wissenschaftler haben in einem Modell die Bedingungen für ein gleichbleibendes Hüpfen des Balls ausgerechnet und sind darauf gestoßen, dass ihr Ergebnis, das von den Menschen intuitiv ausgeführt wird, der Hypothese widerspricht, menschliche Bewegungen würden notwendigerweise die Effizienz maximieren. Dann nämlich müsste der Ball an der Stelle seiner höchsten Geschwindigkeit auf den Schläger treffen, während die Versuchspersonen analog zum Modell den Ball auf dem Schläger dann hüpfen ließen, wenn der Schläger wieder nach unten geht und auch die Geschwindigkeit des Balls abnimmt. Diese dynamisch stabile Ordnung werde aber bislang von Robotern nicht gefunden, weswegen sie komplizierte Feedback-Strategien zur Kontrolle der Abweichungen benötigen.

In Versuchen, bei denen die Versuchspersonen entweder die Augen geschlossen hatten, um visuelle Informationen auszuschließen, oder ihnen die Aufprallgeschwindigkeit unbekannt war, da der Schläger von einem Roboterarm gehalten wurde, stellte sich heraus, dass die Menschen sich stärker am Gefühl des Gewichts und der Geschwindigkeit, mit der der Ball auf den Schläger trifft, als am Sehen orientieren. Normalerweise, so Sternad, gehe man aber davon aus, dass bei den Menschen das visuelle System dominant sei, während man den Tastsinn und die kinästhetische Wahrnehmung noch weitaus weniger gut erforscht habe. Konnten die Versuchspersonen sich nur am Sehen orientieren, so griffen sie eher zur nicht so erfolgreichen Strategie, die Wahrscheinlichkeit der Flugbahn abzuschätzen und Fehler zu korrigieren.

Sternad glaubt, dass auch Roboter davon profitieren könnten, wenn bei der Koordination von Bewegungen nicht mehr komplizierte Fehlerkorrekturen durchgeführt werden müssten, sondern die Roboter sich ebenso intuitiv wie die Menschen auf chaotischen Bedingungen der Welt einstellen und die entsprechenden Attraktoren finden könnten.

http://www.heise.de/tp/artikel/4/4623/1.html