Mehr Autonomie wagen

Gespräch mit Raul Rojas, Professor für Mathematik an der FU Berlin und Teamleiter der Fu-Fighters

In der Small Size League beim RoboCup 2001 stehen sich maximal fünf Roboter pro Team auf einem Feld von der Größe einer Tischtennisplatte gegenüber. Sie orientieren sich mit Hilfe einer Kamera, die von oben aufs Spielfeld gerichtet ist. Computer am Spielfeldrand werten die Bilder aus und steuern über Funk die Bewegungen der Roboter. Kommerzielle Anwendungen, die eine vergleichbare Technologie einsetzen, sind etwa Transportroboter, Reinigungsroboter oder automatische Rasenmäher, die sich an Leitschienen im Boden orientieren. Aber davon will Raul Rojas, Professor für Mathematik an der FU Berlin und Teamleiter der Fu-Fighters, Vize-Weltmeister in der Small Size League des RoboCup, wegkommen. Er setzt auf mehr Autonomie.

Ein 'Breitmaul'-Spieler der FU-Fighters

Paul Rojas: Wir treten zum ersten Mal mit zwei Teams an. Das eine stützt sich wie bisher auf die Bilder der Kamera über dem Spielfeld. Die Roboter des anderen Teams tragen ihre eigene Kamera. Auf die konzentrieren wir uns besonders, denn deren Orientierung auf dem Spielfeld erfordert ganz neue Software. Außerdem haben wir die Mechanik verbessert. Unsere neuen Roboter in beiden Teams bewegen sich jetzt auf drei Rädern statt auf zwei, wie früher.

Paul Rojas: Genau. Unsere Roboter sehen aus wie die kleinen Kinder der Golems. Wir haben die Konstruktion weitgehend übernommen: drei Motoren in einem Winkel von 120 Grad zueinander mit omnidirektionalen Rädern an den Ecken. Darauf steht eine Kamera, die nach oben auf einen Spiegel gerichtet ist. Der ermöglicht eine Rundumsicht des Spielfeldes. Im Unterschied zu den Golems verwenden wir allerdings keinen Konvexspiegel, sondern einen Konkavspiegel, den wir einer Taschenlampe entnommen haben. Auf diese Weise haben wir für weniger als 150 Mark ein komplettes optisches System. Die in der Middle Size League verwendeten Spiegel sind dagegen Spezialanfertigungen, die mehrere tausend Mark kosten können.

Paul Rojas: Nehmen Sie einen Löffel und schauen Sie hinein. Am besten geht es mit einer Suppenkelle.

Paul Rojas: Er ist nicht präzise, aber die Unebenheiten können wir über die Software ausgleichen. Wir erfüllen mit diesen Robotern die Anforderungen an die Middle Size League, aber zu einem Bruchteil der dort üblichen Kosten. Die in der Middle Size League verwendeten professionellen Kameras könnten wir gar nicht einsetzen, weil sie für unsere kleinen Roboter zu schwer sind und zu viel Strom benötigen.

Paul Rojas: Wir übertragen die Bilder per Funk an zwei Rechner neben dem Spielfeld. Die werten die Daten aus und funken entsprechende Anweisungen an die Roboter zurück.

Paul Rojas: Ja, zwei. Wir stellen allerdings erst mal nur drei Spieler aufs Feld. In der Small Size League sind zwar bis zu fünf Spieler pro Team erlaubt, doch damit wäre uns das Spielfeld zu voll. Wenn wir das Spiel mit drei Robotern gut zum Laufen kriegen, werden wir nächstes Jahr die Zahl auf fünf erhöhen. Mittelfristig möchten wir aber auf einem größeren Feld spielen. Für das Jahr 2003 haben wir angepeilt, mit unseren kleinen Robotern auf dem Spielfeld der Middle Size League anzutreten. Wenn man die Roboter der Small Size League dicht an dicht neben einander anordnet, passen etwa 100 auf das Small-Size-Spielfeld. Wenn Sie das Gleiche mit den Robotern der Middle Size League auf deren Spielfeld machen, kommen Sie schon auf etwa 180 Spieler. In der Simulationsliga können Sie dagegen ungefähr 1000 Spieler auf dem virtuellen Feld unterbringen. Sie erkennen daran, wie voll es auf dem Spielfeld der Small Size League ist. Das Interessante ist: Wenn Sie die kleinen Roboter auf das Middle-Size-Spielfeld stellen, haben Sie dort Platz für 1400 Spieler. Damit haben Sie die Komplexitätsebene der Simulationsliga. Das heißt, mit den kleinen Robotern auf dem großen Spielfeld könnten wir die drei Ligen vereinigen.

Paul Rojas: Genau so ist es auch. Ich kann nur den Kopf schütteln, wenn die Middle Size League als die "Königsliga" des RoboCup bezeichnet wird. Wir leisten mit unseren Robotern das Gleiche, obwohl sie kleiner und viel billiger sind. Wenn wir mit unseren Spielern auf das große Spielfeld gingen, würden wir viel interessantere, schnellere Spiele bieten, mit elf Spielern pro Team, die wirkliche, kooperative Strategien entwickeln könnten. Im Moment sind die Felder in der Small und Middle Size League dafür einfach zu voll. Es lohnt sich nicht, Pässe abzugeben oder Verteidigungsreihen aufzustellen. Die Verteidigung in der Middle Size League besteht derzeit ohnehin nur aus einem einzigen Roboter.

Classic-Feldspieler

Paul Rojas: Weil man es nicht gebraucht hat. Wir könnten den Schussapparat unserer Roboter aber so weiterentwickeln, dass er auch fürs Pass-Spiel taugt. Bisher schalten wir ihn nur ein oder aus, schießen also mit maximaler Kraft oder gar nicht. Um Pässe spielen zu können, müssten wir zum einen die Schusskraft genauer regeln und zum anderen einen Mechanismus einbauen, der den ankommenden Ball stoppt.

Paul Rojas: Das ist schon richtig. Aber es gibt immer eine Lösung. Außerdem können wir bei Robotern Dinge einbauen, die Menschen nicht haben.

Paul Rojas: Wir befinden uns gerade in einem Generationenwechsel. Die meisten, die die Weltmeisterschaft 2000 in Melbourne mitgemacht haben, waren bei den German Open Anfang Juni in Paderborn noch dabei. Aber nächstes Jahr werden fast alle weg sein, zum Teil haben sie jetzt schon ihre Dissertationen und Diplomarbeiten abgeschlossen. Die geordnete Übergabe an die Nachfolger, ohne dass die geleistete Arbeit verloren geht, ist zur Zeit eins meiner größten Probleme. Wir haben immer unter so viel Druck gearbeitet, dass kaum etwas dokumentiert wurde. Wenn um drei Uhr morgens etwas programmiert wird, ist man erst mal froh, wenn es gut läuft. Aber eine Woche später weiß niemand mehr, was da eigentlich genau gemacht worden ist. Deswegen möchte ich den RoboCup jetzt stärker in die Lehre einbauen, sodass die Studenten mit der Arbeit an den Robotern auch ihre Pflichtkurse absolvieren können. Es gibt zum Beispiel ein Mikroprogrammierpraktikum, bei dem die Studenten lernen, einen Prozessor in Assembler, also auf der niedrigsten Ebene, zu programmieren. Dafür könnten sie die Prozessoren unserer Roboter nehmen. Bisher gibt es nur ein RoboCup-Praktikum, das aber nicht zu den Pflichtkursen des Studiums zählt. Für Studenten, die neu dazustoßen, bedeutet das, dass sie erst einmal einen großen Wissensrückstand aufarbeiten müssen. So können wir auf Dauer nicht arbeiten.

Paul Rojas: Ich nehme das eigentlich gar nicht besonders ernst. Der Sieg über die Brasilianer in 50 Jahren ist für mich eher ein publizistisches Ziel. Die meisten RoboCup-Teilnehmer, die ich kenne, sind vor allem daran interessiert, schöne Roboter zu entwickeln, die sich in einer natürlichen Umgebung bewegen können. Zweitens wollen sie gute Ergebnisse erzielen, die sich auch auf Industrieanwendungen übertragen lassen. Und drittens wollen sie Spaß haben. Das ist auch sehr wichtig.

Paul Rojas: Das kann aber auch ein Problem sein. Manche Leute, die zum ersten Mal vom Roboterfußball hören, halten das zunächst für reine Spielerei. Wenn sie dann allerdings erfahren, wie komplex das alles ist, ändern sie zumeist rasch ihre Einschätzung.

Paul Rojas: In Bezug auf Teamarbeit auf jeden Fall. Da ist Fußball das Schwierigste, was es gibt. Ansonsten gibt es noch einen Wettbewerb für autonome, fliegende Aufklärungsroboter, bei dem sich natürlich ganz andere Aufgaben stellen. Aber vom allgemeinen Schwierigkeitsgrad her dürfte er dem RoboCup gleichwertig sein.

Ein FU-Fighters-Omni

Paul Rojas: Die einfachste Kooperation besteht darin, dass sie sich nicht gegenseitig im Weg stehen. Das kann dadurch gelöst werden, dass jedem Roboter eine bestimmte Zone zugeordnet wird, für die er zuständig ist. Die nächste Stufe der Kooperation ist das Pass-Spiel: Ein Spieler muss erkennen können, dass ein anderer Spieler günstiger steht und der Ball daher an ihn abgegeben werden sollte. Das ist schon zum Teil realisiert. Aber die höchste Ebene der Kooperation, das gleichzeitige Zusammenwirken aller Spieler auf das gemeinsame Ziel hin, hat bisher noch niemand erreicht, nicht einmal in der Simulationsliga. Selbst da spielen höchstens drei, vier Spieler zusammen, während sich die übrigen in mehr oder weniger vernünftiger Weise über das Feld verteilen. Das ist schon eine ganze Menge, aber es lässt sich noch viel mehr machen.

Paul Rojas: Das würde ich in Zukunft gern abschalten. Wir sollten beim RoboCup die Latte von Jahr zu Jahr höher hängen. Es wäre besser, die Roboter würden ihr Verhalten aus der Spielsituation selbst ableiten statt aus Mitteilungen ihrer Mitspieler. Auch die nach oben gerichteten Kameras, die über einen Spiegel eine 360-Grad-Rundumsicht ermöglichen, würde ich gern abschaffen und statt dessen nur nach vorne gerichtete Kameras zulassen. Auf diese Weise gleichen wir die Möglichkeiten der Roboter denen von Menschen nach und nach an. Schließlich geht es bei diesem Wettbewerb nicht nur um das Fernziel, sondern vor allem um die Techniken, die auf dem Weg dorthin entwickelt werden.

Paul Rojas: Das größte Problem sind Roboter, die sich auf zwei Beinen bewegen und über genügend Energie verfügen, um wenigstens einige Minuten durchzuhalten. Dabei sollen sie nicht nur gehen, sondern auch laufen können. Ich glaube nicht, dass es innerhalb der nächsten zehn Jahre einen humanoiden Roboter von der Größe eines Menschen geben wird, der vernünftig laufen kann. In der Größenordnung bis etwa 30 Zentimeter mag das dagegen schon eher realisierbar sein. Ich habe von Sony Videoaufnahmen eines humanoiden Prototypen gesehen, die sehr vielversprechend aussehen. Er ist wohl als Ergänzung zum vierbeinigen Aibo-Roboter gedacht und scheint über eine ähnliche Technik zu verfügen. Die große Herausforderung bei zweibeinigen Robotern ist allerdings die Programmierung. Das Laufen auf zwei Beinen ist sehr viel schwieriger als auf vier.

Paul Rojas: Gar keinen. Industrielle Anwendungen für zweibeinige Roboter gibt es nicht. Es geht allein um die technische Herausforderung.

Paul Rojas: Bei der letzten RoboCup-WM in Melbourne zeigte mir ein Japaner einen Katalog, so dick wie der vom Otto-Versand, in dem nur Roboter und Roboterteile angeboten wurden. Ich war völlig platt, dass es in Japan schon so einen großen Markt dafür gibt. Bei uns gibt es bisher nur die Lego-Mindstorm-Roboter, die nicht so erfolgreich sind, wie ursprünglich erhofft. Eine Erklärung für diese Unterschiede habe ich nicht. Es mag damit zu tun haben, dass die Japaner verspielter sind als wir.

Paul Rojas: Ich würde sagen, Steuerung und Kooperation stehen im Mittelpunkt. Dabei geht es tatsächlich in erster Linie um Software. Natürlich brauchen Sie eine robuste Hardware, um die Leistungsfähigkeit Ihrer Software demonstrieren zu können. Aber letztere ist entscheidend. Die Gewichte dürften sich allerdings verschieben, wenn Roboter mit Beinen von den Teams selber entwickelt werden.

Paul Rojas: Mathematik ist universell. Ich kenne Forschungsprojekte, die genau diese Frage untersucht haben. Da wurden Kinder aus verschiedenen Kulturen beim Rechnen beobachtet, ohne dass wesentliche Unterschiede festgestellt werden konnten. Mathematik scheint einer universellen Struktur im Gehirn des Menschen zu entsprechen.

Paul Rojas: Darüber wird viel gestritten. Ich streite mich selbst auch mit Kollegen, die die Informatik für ein Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften halten. Für mich ist sie ein Teilgebiet der Mathematik: Die Mathematik beschäftigt sich mit abstrakten Strukturen, die Informatik mit abstrakten Strukturen, die berechenbar sind. Dagegen wird oft eingewandt, dass die Informatik anwendungsbezogen sei, auch experimentell vorgehe und keinen universellen Gültigkeitsanspruch habe.

Paul Rojas: Das ist richtig. Zum Beispiel in der Geometrie: Hier können Sie den Computer einige tausend oder zehntausend Beispielrechnungen dürchführen lassen und bekommen dadurch einen Einblick in Zusammenhänge, den Sie sich früher über harte Introspektion erarbeiten mussten.

Paul Rojas: Unschärfe und Zufälligkeit sind in den letzten Jahren ein wichtiges Forschungsfeld geworden. Bei großen Zahlen ist es zum Beispiel praktisch unmöglich zu beweisen, dass es sich um Primzahlen handelt. Dafür reicht die Rechenzeit nicht. Dagegen gibt es Möglichkeiten, es mit 99,999-prozentiger Sicherheit festzustellen. Für viele technische Anwendungen reicht diese Genauigkeit aus. Bei der Unschärfe geht es darum, etwa Sätze wie "Heute ist ein warmer Tag" mathematisch zu fassen.

Paul Rojas: Unsere neuen Roboter können bei der Selbstlokalisierung auf dem Spielfeld immer um einige Zentimeter von ihrer tatsächlichen Position abweichen. Sie wissen nur ungefähr, wo sie sind. Diese Unschärfe müssen wir durch geeignete Algorithmen auffangen.

Paul Rojas: Das kann ich nachvollziehen. Ich habe aus dem Grund zum Beispiel kein Handy. Die Abneigung gegenüber der Mathematik hat aber auch viel damit zu tun, wie sie den Kindern in der Schule eingetrichtert wird. Sie erleben sie als eine Denkweise, die ihnen aufgezwungen wird. Man kann Mathematik aber auch so lehren, dass die Schüler nach Hause kommen und ein Mathematikbuch aufschlagen, weil ihnen ein Problem keine Ruhe lässt.

Paul Rojas: Klar, das kenne ich auch. Allerdings vor allem bei Informatikern. Ich kenne Informatikstudenten, die sich wie Autisten verhalten und mit denen man nur noch über den Computer kommunizieren kann. Ich hatte Diplomanden, aus denen ich kein vernünftiges Wort herausbekommen konnte. Am Computer sind sie perfekt, aber ein normaler menschlicher Umgang mit ihnen ist nahezu unmöglich. Da müssen wir uns etwas überlegen.

Paul Rojas: Nicht besonders. Als Mitte der vierziger Jahre die ersten Computer entwickelt wurden, gab es kurz danach schon die ersten Schachprogramme. Es mangelte vor allem an der Rechengeschwindigkeit. Mit den Computern von heute hätte jemand wie Alan Turing wahrscheinlich schon vor 50 Jahren ein Programm schreiben können, das es mit einem Schach-Großmeister hätte aufnehmen können. Wenn uns dagegen jetzt ein Außerirdischer den humanoiden Roboter schenken würde, wären wir noch lange nicht in der Lage, ihn zu steuern.

Paul Rojas: Ja, man hat den Begriff der Intelligenz früher ausschließlich für den Menschen reserviert. Heute sieht man, dass es verschiedene Formen der Intelligenz gibt, die Intelligenz des Wurmes, der Maus, des Menschen. In diesem Kontinuum versuchen wir, die Intelligenz der Roboter einzuordnen. Heute sind sie vielleicht auf dem Niveau einer Bakterie. Aber sie werden immer besser.

Paul Rojas: Nein, bisher noch nicht. Obwohl es da hochinteressante Studien gibt. Vor kurzem habe ich eine Ausschreibung für eine Stelle in den USA gesehen, bei der es darum gehen soll, einen Roboter mit dem Gehirn einer Heuschrecke zu steuern.

Paul Rojas: Haben Sie die 100-Meter-Läufer bei den Paralympics gesehen? Die laufen uns beiden locker davon. Es ist kaum zu erkennen, dass sie künstliche Gliedmaßen haben.

Paul Rojas: Mit unseren alten Robotern, die auf die Kamera über dem Spielfeld zugreifen, wollen wir unter die ersten vier kommen. Mit den neuen Robotern wollen wir vor allem schön spielen.

http://www.heise.de/tp/artikel/9/9233/1.html