Living Machines: (Roboter-)Insekten laufen anders

Die Koordination der Laufbewegungen mehrbeiniger Roboter ist komplex. Ein künstliches neuronales Netz soll bei der Steuerung helfen.

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Der sechsbeinige Roboter Hector bei seinen ersten Laufversuchen. Mittlerweile kontrolliert ein dezentrales neuronales Netz seine Beinbewegungen.

(Bild: CITEC Bilefeld (Screenshot YouTube))

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Die Tagung auf der Konferenz "Living Machines" begann mit einem Plädoyer für Central Pattern Generators (CPGs) als unerlässliche Komponente für die Steuerung des Laufverhaltens in Lebewesen und Robotern. Sie endete mit einem Vortrag, der genau dieser Aussage widersprach – und hinterließ damit den Eindruck, dass die zentralen Fragen zur Verhaltenssteuerung und Kognition weiterhin offen sind.

Der Gegensatz zwischen der Keynote von Auke Ijspeert, mit der die Konferenz Living Machines eröffnet, und der von Holk Cruse (Uni Bielefeld), mit der sie beschlossen wurde, wird allerdings dadurch abgemildert, dass beide sich auf unterschiedliche Organismen bezogen. Während Ijspeert vorrangig Reptilien wie den Salamander untersuchte, beschäftigte sich Cruse mit Insekten. Er stellte ein dezentrales neuronales Netz vor, das auf der untersten Ebene die Bewegung der Beine kontrolliert, auf einer mittleren Ebene die Navigation regelt und auf der höchsten Ebene Kognition ermöglichen soll.

Implementiert wurde das Verfahren auf dem sechsbeinigen Roboter Hector. Aber nicht nur hier zeigte sich, dass CPGs für die Kontrolle des Laufverhaltens nicht erforderlich seien, so Cruse. Auch Experimente mit Insekten, bei denen der Signaltransport vom Körper zum Gehirn durch Pilocarpin unterbrochen wurde, deuteten darauf hin, dass das Laufen offenbar durch eine Phasenkopplung benachbarter Beine gesteuert werde.

Das Video zeigt die ersten Schritte von Hector 2014.

Im künstlichen neuronalen Netz werden die Beinbewegungen durch Sensory Motor Memories (SMM) koordiniert. Als Gerüst, das die Verbindung mit den höheren Ebenen des Netzwerks herstellt, dient die Motivation Unit (MU). Eine solche neuronale Schicht, die nicht fürs Laufen benötigt wird, sei erforderlich, um aus problematischen Situationen heraus Kognition entstehen zu lassen. Als Beispiel nannte Cruse den Fall, dass ein mittleres Bein des Sechsbeiners in ein Loch gerutscht sei und der Roboter nun eine Lösung finden müsse, um weiter laufen zu können. Bei einem entsprechenden Experiment sei in 70,3 Prozent der Fälle das rein reaktive System ausreichend gewesen, bei 28,9 Prozent habe Hector durch "Nachdenken" (cognitive expansion) eine Lösung gefunden. Lediglich bei 0,7 Prozent der Versuchsläufe sei der Roboter steckengeblieben.

Bei Insekten sei das sensorische Feedback für die Steuerung des Laufens sehr viel wichtiger als CPGs, fasst Cruse seine Ausführungen zusammen. Er räumte allerdings ein, dass das bei Wirbeltieren ganz anders aussehen könnte – und traf sich in diesem Punkt wieder mit Auke Ijspeert. Der hatte seinerseits beim Menschen aufgrund dessen größerer Instabilität die Bedeutung der CPGs gegenüber dem sensorischen Feedback relativiert. So hinterließ die Tagung einen tiefen Eindruck von der enormen Vielfalt der Natur – und von einer Gemeinschaft von Forscher*innen, die mit großer Kreativität und Leidenschaft nach Antworten auf die damit verbundenen Fragen suchen. Dass spektakuläre Ergebnisse in diesem Jahr ausgeblieben sind, lässt sich da ohne weiteres verkraften.

(olb)