Roboter, die fühlen, was sie berühren

Vor vielen Jahren schrieb die berühmte Anthropologin Ashley Montagu: „Die Kommunikation, die wir durch Berührung vermitteln, ist das wirkungsvollste Mittel, um menschliche Beziehungen aufzubauen.“ Doch hier sind sie, Anfang Mai 2023: Eine Gruppe von Forschern der Universität Bologna versucht, den Tastsinn auf eine Maschine zu übertragen. Zu diesem Zweck nutzen sie zwei Technologien, um einer Roboterhand zwei verschiedene Arten von Sensibilität auszustatten. Die erste, die etwas gröber ist, deckt den größten Teil der Oberfläche der Handfläche ab, und die zweite liefert viel umfangreichere und vollständigere Informationen über die Festigkeit, Rauheit oder Glätte von Objekten. Letzteres wird über die Fingerspitzen übertragen und das Gerät wird genau in diesem Bereich lokalisiert.

Heute arbeitet die Doktorandin Alessandra Bernardini im Robotiklabor der Fakultät für Ingenieurwissenschaften nicht nur mit großer Geduld daran, den Besuchern zu erklären, wie alles funktioniert – es sind auch kleine halbkugelförmige Sensoren aus einem formbaren, gummiähnlichen Material angebracht, die den Computer mit Strom versorgen Informationen über die Eigenschaften des Gegenstands, den es hält – sie ist aber auch bereit, auf zwei der Erdbeeren zu verzichten, die sie als Begleitmittagessen zum Mittagessen mitgebracht hat. Während die Roboterhand die rote Frucht auspresst, wandeln Fotosender in den Sensoren die Störungen im Gummi in Daten um, die auf dem Bildschirm als Liniendiagramme angezeigt werden, die sich zusammen und getrennt bewegen.

Neben ihr setzt Roberto Meattini, ein weiteres Mitglied des Teams, die Demonstration fort. Nachdem eine rechteckige Struktur sicher an seinem rechten Handgelenk befestigt ist – an einem Ende befindet sich ein Loch zum Einführen der Hand und am gegenüberliegenden Ende ist der Roboterprototyp angeschlossen – beginnt er, seine Finger langsam einzuziehen und auszustrecken. Mithilfe von Bernardini am Steuer des Computers bringt er der Prothese bei, die Bewegungen der Unterarmmuskeln zu lesen, die die Bewegungen seiner Hand steuern, um sie dann wiederholen zu können. Ein etwas unterhalb des Ellenbogens angebrachtes Armband sammelt diese Informationen und übermittelt sie über drahtlose Sensoren an den Roboter.

Die beiden Ingenieure unternehmen, begleitet von einem halben Dutzend weiterer Kollegen und unter der Leitung von Professor Gianluca Palli, lediglich die ersten Schritte im IntelliMan-Projekt. Dieses Projekt, das von einem Konsortium aus 13 Universitäten, Unternehmen und Forschungszentren aus sechs europäischen Ländern gegründet wurde, hat das Ziel, ein neues, auf künstlicher Intelligenz basierendes Manipulationssystem zu entwickeln, das es Robotern (sei es Prothesen wie die oben gezeigte Hand oder unabhängige Maschinen) ermöglichen, sowohl von der Umgebung als auch von der Interaktion mit Menschen zu lernen. Die Europäische Kommission hat das Projekt aus den 42 besten Initiativen für künstliche Intelligenz und Robotik ausgewählt, die im Rahmen des Horizon Europe-Programms, dem Flaggschiff-Forschungs- und Innovationsplan des Kontinents, gestartet wurden. Sie wurden aufgrund ihres Potenzials ausgewählt, „die Gesellschaft, in der wir leben, durch die Bewältigung relevanter technologischer Herausforderungen zu verbessern“, heißt es in dem Dokument, in dem die Initiativen zusammengestellt sind. Zu den ausgewählten Vorschlägen gehören Vorschläge, die von einem großen Zentrum, das versuchen soll, die Sicherheit in der Forschung im Bereich der künstlichen Intelligenz zu gewährleisten, bis hin zu Ideen zur Wasserrückgewinnung, zum Recycling oder zur Entwicklung von Drohnen zur Unterstützung von Außendienstmitarbeitern und Mitarbeitern der Infrastrukturwartung an gefährlichen Orten reichen.

In Bezug auf IntelliMan erklärt Professor Palli in seinem Büro in der historischen italienischen Stadt, welchen Nutzen sie aus den 4,5 Millionen Euro (4,8 Millionen US-Dollar) ziehen wollen, die sie zwischen September 2022 und Februar 2026 von der Kommission erhalten werden. Zunächst einmal ihr Ziel Ziel ist es, Prothesen zu entwickeln, die es ihren Besitzern ermöglichen, alltägliche Aktivitäten wie das Halten eines Glases oder das Öffnen einer Tür oder Schublade problemlos auszuführen. Der nächste Schritt besteht darin, diese Funktionen auf eine autarke Maschine zu übertragen, die bald zu einem Roboter-Heimassistenten werden könnte, der die Spülmaschine selbstständig einschaltet oder nach dem Essen den Tisch abräumt. Die Idee ist, dass sie mit Menschen interagieren können, aber noch sollte niemand damit rechnen, mit ihnen chatten zu können. Ziel ist es, ihnen neue Aufgaben beizubringen – ihnen zu zeigen, wie man etwas einmal macht, damit sie es später wiederholen können – aber auch, sie in die Lage zu versetzen, die erworbene Arbeit an einen sich ändernden Kontext anzupassen. Zum Beispiel ein Hindernis auf dem Weg, das vorher nicht da war, etwa ein Gegenstand, der rutschiger ist als der vorherige.

Dazu benötigen sie den Sehsinn – der mit Kameras und Sensoren aufgelöst werden kann – und den anspruchsvolleren Tastsinn, an dem sie arbeiten. Dabei geht es aber nicht nur darum, die Maschine damit zu versorgen, sondern im Falle von Prothesen auch darum, den Menschen, der sie bedient, in gewisser Weise spüren zu lassen: „Wir arbeiten zum Beispiel an der Übertragung der Griffkraft durch.“ mittels vibrotaktiler Motoren, das sind kleine Motoren, die mit unterschiedlicher Frequenzamplitude vibrieren [je nachdem, ob diese Kraft höher oder niedriger ist]“, erklärt Meattini, zurück im Labor. „Das können selbst die fortschrittlichsten Prothesen auf dem Markt noch nicht“, fügt er hinzu.

Die Forscher arbeiten in einem Raum voller Computer und moderner Prototypen hochmoderner Maschinen, aber auch zahlreiche Kabel, Pappe, ein paar Rollen Isolierband und ein großer Metallschrank, aus dem die Ingenieure allerhand hervorholen von großen, mittleren und kleinen Werkzeugen. Neben dieser Welt hochmoderner, weißer und aseptischer Technologie, harmonischer und abgerundeter Formen, die unsere kollektive Vorstellungskraft prägen, dient dieses Labor als Erinnerung daran, dass Fortschritt – zumindest teilweise – immer noch an Orten stattfindet, die mit Steckern und Klemmwinkeln übersät sind , mit Objekten, die immer wieder zusammengebaut und getestet werden müssen, um herauszufinden, wie sie funktionieren. Dies sind Orte, an denen Studierende, Doktoranden, angehende Forscher und erfahrene Forscher zusammenkommen und an gleichzeitigen Projekten arbeiten, die zusammenlaufen und sich manchmal überschneiden. Vielleicht gerade deshalb ist es wichtig, jedes Ziel in kleinere Aufgaben zu unterteilen, um sicherzustellen, dass sie bewältigbar sind, und um Schritt für Schritt, aber stetig, dem Endergebnis näher zu kommen.

Für IntelliMan konzentrieren sich die Ingenieure der Bologneser Gruppe derzeit darauf, zu verstehen, wie ein Robotergriff funktioniert: „Zuerst muss man das Objekt erreichen, dann Kontakt herstellen und den Kontext verstehen, der es umgibt, um zu wissen, ob oder nicht.“ man kann die Griffkraft erhöhen“, erklärt Meattini. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen. Die häufigste davon ist die Erstellung mathematischer Modelle, die darlegen, wie der Prozess ohne Fehler durchgeführt und wiederholt werden kann. „Das Problem dabei ist, dass es theoretisch einwandfrei funktioniert, aber im wirklichen Leben weiß man nicht genau, wo es ankommen wird, wie es das machen wird. Deshalb arbeiten wir an einem anderen Ansatz. Es.“ ist künstliche Intelligenz, die auf Wahrscheinlichkeiten basiert, sodass wir die Sensormessungen in unser probabilistisches Modell einbinden und uns sagen lassen können, wie der Griff aussehen sollte. Die reale Welt ist probabilistisch, es ist nicht wie eine Formel“, fügt der Forscher hinzu .

Diese reale Welt – mit ihren Misserfolgen, ihren unvorhergesehenen Fallstricken und ihren ungewöhnlichen Lösungen – spielt in dieser Forschung eine wichtige Rolle. Dies geschieht in Form von Fabrikarbeitern, die die verborgenen Geheimnisse ihrer alltäglichen Aufgaben teilen, und von Amputierten, die den Wissenschaftlern genau sagen, was sie von einer Prothese brauchen, damit sie wirklich nützlich ist und sie nicht behindert (das spezialisierte Rehabilitationszentrum, das vom Nationalen Unfallinstitut der italienischen Regierung betrieben wird). Zum Konsortium gehört auch die Prävention in der Nähe von Bologna, in Budrio. Aber auch die Idee, nach anderen Lösungsansätzen für alte Probleme zu suchen, ist sehr präsent – ​​tatsächlich liegt sie allen diesen gemeinsamen Bemühungen zugrunde. So erkennt die Maschine nicht nur, was um sie herum vor sich geht, sondern weiß vor allem auch, was sie mit diesen Informationen als Nächstes tun soll. Dies versuchen sie zu lösen, „indem sie zwei mittlerweile etablierte Ansätze kombinieren, deren Zusammenhang wir aber noch untersuchen“, betont Palli. Und er bleibt bei der Erklärung, denn sie ist eine der großen Besonderheiten seines Projekts.

Einerseits gibt es die eher klassischen Ansätze, die darin bestehen, alle Aktivitäten, die der Roboter zeitlich und räumlich ausführen wird, abzubilden und vorzukonfigurieren, d. h. dass er ein bestimmtes Objekt an einem bestimmten Punkt aufnimmt und dort zurücklässt ein anderer. „Es ist schwierig, diese Lösungen in die Praxis umzusetzen, wenn man nicht über die vollständigen Informationen über den Kontext verfügt, in dem man tätig ist“, betont er. Dies ist angesichts der Unvorhersehbarkeit des Alltagslebens und der Interaktion mit Menschen einfach unmöglich. Das bringt uns zum zweiten möglichen Ansatz, dem entscheidenden Ansatz des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz: das Sammeln einer riesigen Menge an Kontextinformationen, die der Maschine anhand von Millionen von Beispielen zugeführt werden, damit sie lernt, wie etwas gemacht wird. Dies bringt laut Palli auch eine große Einschränkung mit sich: Es erfordert eine solche Fülle an Beweisen, eine solche Fülle an Daten, dass es möglich sein könnte, sie zusammenzustellen, wenn man beispielsweise im Bereich der Wirtschaftswissenschaften forscht, wo es unzählige gibt Referenzen verfügbar. Aber für eine Roboteranwendung wie die, die sie sich vorstellen, existiert sie nicht und ist nicht in Reichweite, da das Sammeln dieser Informationen zu teuer ist: Es erfordert Zeit, Ausrüstung usw.

„Wir versuchen gewissermaßen, den Bauplan des Roboters zu definieren und auf der Grundlage sehr weniger Experimente genügend Daten zu sammeln, um den Bauplan an die wahren Bedingungen der Umwelt anzupassen. Wir wollen aber auch, dass der Mensch, der Mensch, in diesem Umfeld aktiv präsent zu sein, mit ihm zu interagieren und es auch zu erziehen“, fasst der Projektkoordinator zusammen.

Der 46-jährige Palli spricht mit der Selbstsicherheit von jemandem, der mehrere Jahrzehnte damit verbracht hat, nach Lösungen zu suchen, um vollständigere und unabhängigere Roboter zu schaffen. Er tut dies von einer Institution aus, die auf diesem Gebiet Pionierarbeit leistete, nämlich bei der Entwicklung anthropomorpher Roboterhände, die immer zuverlässiger, einfacher und kostengünstiger werden sollten. Seine Geschichte lässt sich anhand der Prototypen nachvollziehen, die in mehreren Vitrinen im Robotiklabor der Universität ausgestellt sind. Vom ersten, 1988 von IBM Italien finanzierten Gerät – einem rudimentären Gerät mit zwei parallelen Fingern und einem gegenüberliegenden Daumen, das von künstlichen Muskeln gesteuert wird, Sehnen, die von verschiedenen Motoren angetrieben werden, und einem System aus Taschenrechnern und elektronischen Geräten – bis zu einem der jüngsten: eine Roboterhand, die von einem hochentwickelten Arm mit einer geflochtenen Seil-Sehnen-Übertragung bewegt wird, mit der Forscher begonnen haben, die ersten Schritte zur Einführung taktiler Sensoren zu unternehmen. Auf dieser bisherigen Wissensbasis – dank allem, was erreicht wurde, aber auch aufgrund allem, was auf dem Weg dorthin ausgeschlossen wurde – treten wir nun in eine neue Generation ein.

Das von Palli geleitete Projekt geht jedoch weit über die Roboterhand und Prothesen als Ganzes hinaus. Sie arbeiten nicht nur an Haushaltsrobotern, sondern auch an Anwendungen für verschiedene Branchen. Einerseits arbeiten sie mit der britischen Online-Supermarktkette Ocado an einem Roboter, der in der Lage ist, Obst aus einer großen Kiste zu entnehmen und in kleinere zu legen. Dazu ist es notwendig, die Greifkraft je nachdem, ob der Roboter Äpfel, Orangen oder Erdbeeren handhabt, verändern zu können. Darüber hinaus beschäftigen sie sich mit etwas noch Schwierigerem für die Automobilindustrie (das slowenische Komponentenunternehmen Elvez ist ein weiterer Partner im Konsortium): der Konfektionierung von Kabeln und Steckverbindern, nämlich verformbaren Materialien, deren Handhabung viel Geschick erfordert.

Sie bewegen sich darauf zu. Und der nächste Durchbruch wird vom Abbau von Barrieren in vielen Bereichen der Wissenschaft abhängen. Diese reichen von der Mathematik – um den vorgegebenen Plan des Roboters und die Wahrnehmung seiner Umgebung am besten darzustellen – bis hin zu parallelen technologischen Entwicklungen – Berührungssensoren befinden sich immer noch im Prozess der Weiterentwicklung und Verbesserung. Palli beschäftigt sich jedoch besonders mit der Frage, wie sich die Interaktion zwischen Maschine und Mensch auswirken könnte. Zu diesem Zweck wird das Projekt von einem Team aus Psychologen unterstützt.

Welche Rolle die Berührung auf diesem Weg einnehmen wird, wird stark von ihrer Entwicklung abhängen, die derzeit noch sehr rudimentär ist. Dennoch sollten wir die Worte der amerikanisch-britischen Anthropologin Ashley Montagu über die Macht dieses Sinns, vielleicht des komplexesten von allen, für die menschliche Kommunikation nicht vergessen. In seinem klassischen Buch „Touching: The Human Significance of the Skin“ stellte der 1999 verstorbene Professor der Princeton University auch solche Behauptungen auf: „In der Evolution der Sinne war die Berührung zweifellos die erste, die existierte. Die Berührung ist die Mutter von.“ unsere Augen, Ohren, Nase und Mund. [...] Wie Bertrand Russell vor einiger Zeit betonte, ist es der Sinn, der uns einen Sinn für die Realität gibt. Nicht nur unsere Geometrie und unsere Physik, sondern jede Vorstellung davon, was dahinter existiert Wir basieren auf dem Tastsinn.

„Ich stimme zu, dass Berührungen immer wichtiger werden, weil sie das Spiel völlig verändern, wenn man mit Objekten und der Umgebung interagiert. Ich denke, dass sie die Fähigkeit von Robotern, effektiv mit der Umgebung zu interagieren, wirklich freisetzen wird“, glaubt Palli. Damit die Beziehung zwischen Mensch und Maschine jedoch gut funktioniert, schlagen er und sein Team vorerst eine Art gemeinsame Autonomie vor. Auf diese Weise behandelt die Person, die beginnt, mit der Maschine zu interagieren, sie wie ein Kind, das belehrt werden muss und dem nach und nach mehr Spielraum für eigene Entscheidungen gegeben werden muss. „Das bedeutet, dass der Roboter an einem Punkt anfängt, an dem er vollständig vom Menschen abhängig ist, weil er nicht weiß, wie er Dinge tun soll. Der Mensch wird ihm beibringen, was er tun soll, was dem Roboter mehr Autonomie gibt, weil er es tun wird.“ können dies von nun an selbständig tun“, erklärt der Forscher. Durch diesen Prozess wird auch das Vertrauen der Person in den Roboter gestärkt.

Wenn Roberto Meattini in einem sozialen Umfeld gefragt wird, was er beruflich macht, entscheidet er sich meist für die Kurzfassung: „Ich arbeite an der Roboter-Mensch-Interaktion; ich untersuche, wie man Menschen mit Robotern verbindet und umgekehrt.“ Denn er besteht darauf, dass es nicht um die Schaffung von Robotern geht, sondern um diese Beziehung, die im Wesentlichen die theoretischen Grundlagen der Hauptdisziplinen der automatischen Systemtechnik untermauert, mit denen sie arbeiten. In seiner Doktorarbeit bezog sich der Ingenieur auf den Spielzeugroboter, den seine Eltern ihm zu seinem fünften Geburtstag geschenkt hatten. Er ist auch von der Bedeutung der Berührung auf dem Weg zur Verbesserung überzeugt: „Die Fähigkeit, Berührungen zu spüren und darauf zu reagieren, wird Roboter nicht nur in die Lage versetzen, Manipulationsaufgaben und autonome Operationen besser zu bewältigen, sondern dadurch auch menschliche Absichten zu verstehen und menschliche Bedürfnisse zu erfüllen.“ Dies führt zu intuitiveren und effektiveren Interaktionen.“

Das hört sich auf jeden Fall gut an. Aber auch wenn wir an dieser Stelle auf den ersten Blick von Robotern mit Grundfähigkeiten sprechen, ist es unumgänglich, sich den zunehmend aufkommenden Ängsten vor den möglichen unbeabsichtigten Folgen der Entwicklung künstlicher Intelligenz zu stellen. Schließlich handelt es sich um Roboter, die in der Lage sind, neue Dinge zu lernen. „Wir wenden bei all unserer Forschung ethische Grundsätze an“, sagt Palli auf die Frage. Aber stellen sie sich die Idee vor, den Robotern eine Art Ethik zu vermitteln? „Nein, im Prinzip nicht, daran arbeiten wir nicht. Wir arbeiten an der Sicherheit, damit alle Aufgaben, die sie ausführen, sicher erledigt werden“, antwortet er und fügt hinzu: „Wir könnten sagen, dass wir an einer grundlegenden Ethik arbeiten.“ Erfordernis."

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