»Ohne Haut würden Menschen ständig ins Leere laufen«

Interview mit Florian Bergner

Florian Bergner ist Doktorand am Lehrstuhl für Kognitive Systeme an der Technischen ­Universität München. Er forscht zum Thema künstliche Roboterhaut und erzählt uns, wie er sich dabei von der Natur inspirieren lässt.

[kon]: Inwiefern ist Haut ein Thema für Sie? 
 
F.B.: In vielen Fähigkeiten sind Roboter immer noch weit von denen des Menschen entfernt. Die Haut des Menschen ist ein Sinnesorgan, das Unglaubliches leistet und in seiner Wichtigkeit oft unterschätzt wird. Wenn man sich den Menschen ohne Haut vorstellt, dann wird einem erst klar, was sie alles leistet und was man ohne sie nicht machen könnte. Zum Beispiel kann man nur mit Haut am Körper laufen, da sonst die taktile Rückmeldung an den Fußsohlen fehlt und das Laufen nicht funktionieren würde, da man sozusagen ständig ins Leere laufen würde. Daher liegt es nahe, ein so wichtiges Organ nachzubilden und für Roboter zu nutzen.

[kon]:  Über seine Haut kann der Mensch u. a. Berührung und Druck ­sowie Wärme bzw. Kälte empfinden. Sie ist dehnbar und schützt. Welche der menschlichen Hautfunktionen versuchen Sie zu imitieren? Gibt es darüber hinaus Tier- oder Pflanzenarten, die Sie sich zum Vorbild nehmen? Was sind die größten Schwierigkeiten beim Entwickeln einer Haut für Roboter? 
 
F.B.: Wir versuchen, die Wahrnehmung der Haut zu imitieren: Temperatur, ­Vibration, Krafteinwirkung, ­Annäherung, also ­ähnlich den Härchen auf unserer Haut. Für den Roboter bietet Haut eine Schutzfunktion im doppelten Sinn: erstens passiv als mechanischer Schutzmantel und zweitens als aktiver Schutz für den Roboter und seine Umgebung. Denn der Roboter weiß jetzt einfacher, wo er sich befindet oder an welchem Ort es einen Kontakt mit einem Objekt oder einem Menschen gibt. Ähnlich wie wir uns blaue Flecken holen, wenn wir nicht aufpassen und an die Bettkante rennen, kann der Roboter dies nun vermeiden, da ihm mehr Informationen über seine Umgebung zur ­Verfügung stehen.

Bis jetzt haben wir uns hauptsächlich auf die menschliche Haut konzen­triert, da es dazu die meisten Informationen aus den Neurowissenschaften gibt. Sie ist gut untersucht und gleichzeitig eine große Her­ausforderung aus technischer Sicht. Bei uns Menschen sind fünf Millionen Sensoren verteilt und es ist wichtig zu wissen, wo sie sich befinden.

Das geht bei einem Roboter, obwohl der nur eine kleinere Anzahl an Sensoren hat, auch nur automatisiert, die manuelle Bestimmung wäre unmöglich, vor allem, wenn man später ein System haben möchte, das viel mehr ­Zellen umfasst. Die nächste Schwierigkeit ist, dass mit traditionellen Methoden alle Sensoren ununterbrochen Informationen senden, was dann schnell zu einer Überlastung des Systems führt und eine ­Echtzeitberechnung unmöglich macht. Wie macht das also die Natur? Hier ­senden die Sensoren nicht ­immer ­Informationen, sondern nur wenn etwas Neues passiert. Dieses Prinzip haben wir genutzt und konnten uns von anfangs einigen hundert Sensoren so auf mehrere tausend steigern, die funktionieren, ohne die Rechenkapazität komplett auszulasten.

[kon]: Wie groß sind die von Ihnen ­entwickelten »Hautzellen«? Aus was für Kom­ponenten bestehen sie? Wie viele ­dieser »Hautzellen« können Sie miteinander vernetzen? Was für Informationen können diese »Hautzellen« empfangen?
 
F.B.: Die Hautzellen sind jeweils so groß wie eine Zwei-Euro-Münze. Die Komponenten bestehen aus ­Standardelektronikteilen, wie sie in jedem Handy zu finden sind. Außerdem hat jede Zelle einen Mikrocontroller für die lokale ­Datenverarbeitung und sie sind alle in einem Silikonmantel eingebettet und haben eine LED. Wir können prinzipiell eine riesige Anzahl von Zellen miteinander vernetzen, wahrscheinlich mehrere 10.000, solange das Netzwerk genügend Kommunikationspfade hat und genügend Energie.

Die Hautzellen empfangen Informationen über ihre Umwelt und können dann über die eingebetteten LEDs eine Rückmeldung über ihren Interaktionsmodus geben. Das könnte dann zum Beispiel »Kontakt ausweichen« sein, wenn sie alle rot leuchten. So erhält der Nutzer ­zusätzliche Informationen über das, was der Roboter tun wird.

[kon]: Wie werden die Informationen verarbeitet? Warum ist es wichtig, dass die »Hautzellen« nur bei VerКnderungen reagieren?

F.B.: In der traditionellen Informationsverarbeitung wird permanent gemessen und verarbeitet. Unser Ansatz hingegen ist biologisch inspiriert. In der Natur generieren die Sinnesrezeptoren nur Aktivitäten in Nervenfasern, wenn eine Veränderung stattfindet. 

So wird das Gehirn nicht mit Daten geflutet und ist nicht überfordert. Auch bei unserer Roboterhaut werden nur relevante Informationen gesendet. Damit wird die Überflutung des zentralen Computersystems verhindert und man muss nicht in einer Masse an Informationen nach den relevanten Informationen suchen.

Unser menschengroßer humanoider Roboter H-1 ist mit insgesamt 1260 Zellen und dementsprechend mehr als 13.000 Sensoren an Oberkörper, Armen, Beinen und sogar auf den ­Fußsohlen ­ausgestattet. Er hat zwei Computer eingebaut, und wenn wir die Datenflut nicht auf diese Weise steuern würden, dann ­würde es ­zusätzlich noch mehrere ­externe ­Computer brauchen, um die taktilen Infor­mationen zu verarbeiten.

[kon]: Was für Fähigkeiten besitzt der Roboter durch die von Ihnen entwickelten »Hautzellen«? Welche Anwendungsgebiete sehen Sie im sozialen und im ökonomischen Bereich? Inwieweit unterscheidet sich die von Ihnen entwickelte Roboterhaut von anderen Versuchen, Roboter mit menschlichen Hautfunktionen auszustatten?
 
F.B.: Ein Roboter, der auf seiner Oberfläche taktile Informationen wahrnehmen kann, kann sich mit größerer Sicherheit in seiner Umgebung bewegen und so sich und seine Umwelt schützen. Ein Mensch, der ihn steuern möchte, ist bei seiner Steuerung dann auch nicht auf bestimmte Stellen, beispielsweise einen Punkt am Arm, beschränkt. Er kann ihn mit seiner Berührung überall steuern und braucht kein externes Steuergerät mehr. Langfristig kann man so den Sicherheitsabstand zwischen Menschen und Robotern weiter reduzieren und sie beispielsweise in der Kranken- und Altenpflege für bestimmte ­abgegrenzte Tätigkeiten einsetzen oder etwa in der Produktion von Autos, in der es viele ergonomisch ungesunde Haltungen gibt, die für die Arbeiter gesundheitliche Folgen haben können. Hier können die Arbeiter vom Roboter unterstützt werden. So kann der Roboter ein Freund und Helfer in vielen Teilen des täglichen Lebens werden.

Das Besondere an unserer Roboterhaut ist, dass in ihr mehrere Modalitäten integriert sind: Temperatur, Vibration, Kraft und Annährung. Viele andere ­Systeme messen nur die Kraft. So haben wir ein robustes und selbstorganisierendes ­System entwickelt, das zu den ­weltweit führenden gehört.