Knochen, Muskeln, Sehnen – und Motoren

Im EU-Projekt Eccerobot arbeiten Forscher an einem neuartigen humanoiden Roboter. Dieser soll zukünftig nicht nur wie ein Mensch aussehen, sondern sich auch wie einer bewegen und verhalten können. Die künstlichen Muskeln des heute noch etwas schaurig anmutenden Zeitgenossen werden durch präzise Gleichstromantriebe von maxon motor in Bewegung gesetzt.

Humanoide Roboter ziehen schon seit Jahren das öffentliche Interesse auf sich. Dabei lösen sie unterschiedliche Gefühlslagen aus. Während die einen von der fortschrittlichen Technik fasziniert sind, schreckt die seelenlose Perfektion der Maschinen die anderen ab. Beispiele gibt es viele: Ob das Modell Asimo von Honda, der Einsteinroboter Albert Hubo vom Korean Institute of Technology oder das Robotermädchen HRP-4 C von Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology und Kawada, alle beeindrucken, wenn sie an Ausstellungen über die Bühne laufen, rennen, Menschen ausweichen oder diesen die Hände schütteln. Grundsätzlich folgen solche Konstruktionen dem Konzept von Industrierobotern. Hände, Arme und Beine sind steife, metallische Gliedmaßen, die von Elektromotoren – vielfach von maxon motor – gedreht und gebeugt werden.

Zweibeinige Roboter funktionieren heute erstaunlich gut – obwohl die Simulation des humanen Gangs sehr herausfordernd ist. Der menschliche Körper stellt seinen Gleichgewichtspunkt parallel zu den Änderungen seines Auflagepunkts und in Abhängigkeit vieler weiterer Faktoren ständig neu ein. Je fließender die Bewegungen eines Roboters also sein sollen, desto genauer müssen die Positionen der einzelnen Gliedmaßen berechnet und umgesetzt werden. Dies bringt Unmengen von Daten mit sich und kleinste Fehler können Stürze verursachen.

Das EU-Forschungsprojekt Eccerobot verfolgt einen völlig neuen Ansatz. Es baut menschenähnliche Roboter mit Knochen, Muskeln und Sehnen. „Wir wollen einen Roboter bauen, der nicht nur die Form eines Menschen nachahmt, sondern auch die innere Struktur und die Mechanismen des menschlichen Bewegungsapparats kopiert", erläutert Owen Holland, Leiter des Projekts. Eccerobot soll individuell auf verschiedene Situationen reagieren und mit der Umgebung in Austausch treten können. Denn ein Roboter-Butler im Haushalt oder ein Roboter-Pfleger im Krankenhaus sollte genau diese Eigenschaften haben, um im täglichen Leben bestehen zu können.

Fast ein menschliches Skelett

Eccerobot zeichnet sich durch ein Skelett aus, an dem Muskeleinrichtungen sitzen. Die Knochen bestehen aus dem Kunststoff Polycaprolacton (PCL), auch Polymorph genannt. Er wird bei einer Temperatur von 60° weich und lässt sich dann beliebig modellieren. Abgekühlt wird Polymorph wieder fest und kann Zugkräften gut widerstehen. Dabei behält es aber dennoch eine gewisse Elastizität bei.

Im ganzen Roboter sind 80 Aktuatoren untergebracht, einer für jeden Muskel. Diese bestehen aus einem maxon-Motor mit Getriebe und Encoder, einer Spindel, einer Drachenschnur und einem Gummiband. Das hört sich sehr improvisiert an; beim Betrachten wird es einem aber doch etwas unheimlich, zumal der Roboter im Aufbau sehr an einen Menschen erinnert. Aber wie funktionieren nun eigentlich die Körperbewegungen? Beispielhaft sei hier der Arm von Eccerobot betrachtet: Er ist aus zwei Polymorph-Knochen gebaut, an denen die künstlichen Muskeln befestigt sind. Die Drachenschnur verbindet die Spindel auf dem Getriebe mit dem Gummiband, das auf der anderen Seite am Knochen fixiert ist. Um den Muskel anzuspannen, dreht der Gleichstrommotor über das Getriebe die Spindel, auf der sich die Drachenschnur aufrollt. Dadurch zieht sie über das elastische Gummiband langsam den Unterarm heran.

Um den Menschen zu verstehen

Beim Projekt Eccerobot geht es vor allem um Grundlagenforschung. Dank Robotern will man verstehen, wie menschliche Intelligenz funktioniert. So spielt sich Intelligenz nach Erkenntnissen von Forschern nicht nur im Gehirn ab, sondern sie ist im ganzen Körper verteilt. „Wenn wir einen Arm hochheben, verändert auch unser restlicher Körper vollständig seine Haltung" , so Rolf Pfeifer, Direktor des Artificial Intelligence Laboratory (AI Lab) an der Universität Zürich, das neben anderen Universitäten ebenfalls am Eccerobot arbeitet. „Die Bewegungen der Roboter-Körperteile stehen daher miteinander in Beziehung. Verbindet man die entsprechenden sensomotorischen Daten mit denen des optischen Systems, also der Kamera, gibt es zwischen ihnen Korrelationen, die sich erkennen lassen. Auf diese Weise kann der Roboter allmählich seine Dynamik selbst lernen und ein Wissen über seinen Körper aufbauen."

Eccerobot wird vorerst ein Oberkörper bleiben. Momentan befindet sich die Steuerelektronik noch in einem externen Gehäuse; sie soll jedoch später im ganzen Skelett verteilt werden. Langfristig möchten die Wissenschaftler jedoch einen humanoiden Roboter bauen, der wie ein Mensch auf zwei Beinen gehen und mit der Umwelt interagieren kann. Die Beinpaare sind bereits konstruiert.

Der Antriebsspezialist maxon motor unterstützt solche zukunftsweisenden Projekte in unterschiedlichen Bereichen. Mit dem AI Lab ist man eine Partnerschaft eingegangen, die bezweckt, dass sich Ideen wie Eccerobot optimal entwickeln können. Das AI Lab ist in zahlreichen Projekten auf internationaler Ebene involviert, wobei neueste Erkenntnisse aus der Wissenschaft direkt auch in die Entwicklungen von maxon motor einfließen können. „Nicht nur die hohe Qualität der Produkte, der effiziente und freundliche Kundenservice oder die hohe Kompetenz der Mitarbeitenden haben uns von maxon motor überzeugt. Es ist die einzigartige Innovationskultur und die Bereitschaft, auch unkonventionelle Lösungen zu realisieren, die maxon motor und das AI Lab zu erfolgreichen Partnern macht", erläutert dazu Pascal Kaufmann, Forscher und Verantwortlicher für Kooperationen am AI Lab.

Nach Informationen der maxon motor ag in Sachseln/CH ( www.maxonmotor.com )