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Aus einem "Roboterhaufen" wird allmählich ein K und ein Stern.
Aus einem "Roboterhaufen" wird allmählich ein K und ein Stern.(Foto: Michael Rubenstein, Harvard University)
Freitag, 15. August 2014

Lösungsweg ohne Programmierung: Roboterschwarm organisiert sich selbst

Bin ich hier schon richtig? Über komplexe Rechenprozesse kann sich jeder von Tausend kleinen "Kilobots" passgenau in eine vorgegebene Formation fügen. Wer falsch stehen bleibt, bekommt einen Hinweis vom Nachbarn. Aber wie funktioniert das genau?

Ein Kilobot-Schwarm.
Ein Kilobot-Schwarm.(Foto: Michael Rubenstein, Harvard University)

Tausend kleine Roboter bewegen sich vibrierend über eine Fläche und bilden allmählich den Buchstaben K oder einen Stern. Dabei ist ihr Weg nicht einprogrammiert, stattdessen folgen sie einfachen Regeln. Dieses Kunststück ist Wissenschaftlern der Harvard-Universität in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts gelungen. Wie sie den Roboterschwarm dazu brachten, in Selbstorganisation flächige Strukturen zu bilden, beschreiben Michael Rubenstein und sein Team im Fachjournal "Science".

Nach Angaben der Forscher haben bisher nur wenige Schwarmexperimente überhaupt die Anzahl von 100 Robotern überschritten. Schwärme von Ameisen, Fischen oder Vögeln bestehen oft aus erheblich mehr Tieren. "Diese Arbeit lässt das Ziel näher rücken, künstliche Schwärme mit den Fähigkeiten der natürlichen zu schaffen", schreiben Rubenstein und Kollegen.

Vibrationsmotoren steuern

Kilobots im Vergleich zu einer Cent-Münze.
Kilobots im Vergleich zu einer Cent-Münze.(Foto: Michael Rubenstein, Harvard University)

Die "Kilobots" genannten Roboter sind etwas größer als eine Zwei-Euro-Münze. Sie stehen auf drei starren Beinchen und werden von zwei Vibrationsmotoren angetrieben. Laufen beide Motoren, bewegt sich der Kilobot geradeaus. Ist nur einer an, vollführt der Kilobot eine Kurvenbewegung.

Wenn die Roboterschar die Daten für die Form erhält, die sie bilden soll, beginnt der Vorgang mit vier Initialrobotern in einer Ecke der Form. Zufällig ausgewählte Roboter beginnen dann, am Rand der Robotertraube entlang zu laufen, bis sie zu den Initialrobotern gelangen. Nun kann der Kilobot ein Koordinatensystem errechnen, das ihm anzeigt, ob er sich innerhalb oder außerhalb der eingegebenen Form befindet.

Datenaustausch mit Nachbarn

Durch Datenaustausch über Infrarotsender und -empfänger mit seinen Nachbarn findet der Kilobot seinen Platz in der Formation. Dabei hilft ihm auch ein Gradient, den jeder Roboter ständig errechnet. Vereinfacht gesagt, zeigt der Gradient an, wie viele Reihen ihn von den Initialrobotern trennen. Der Kilobot läuft nun so weit, bis er entweder die Grenze der Form erreicht oder einen Roboter mit gleichem Gradienten findet. Dort bleibt er stehen.

Um Behinderungen durch einzelne Roboter mit Fehlfunktionen zu vermeiden, führten Rubenstein und Kollegen einen Algorithmus ein, mit dem sich die Kilobots gegenseitig kontrollieren. Auf diese Weise können zum Beispiel Roboter, die an einer falschen Stelle stehengeblieben sind, auf ihren Fehler aufmerksam gemacht werden, damit sie ihn korrigieren. "Allgemein gesprochen, können viele Fehler durch Informationsaustausch mit den Nachbarn erkannt werden; die kooperative Kontrolle war entscheidend, um große Schwarmexperimente ohne menschlichen Eingriff zu ermöglichen", schreiben die Wissenschaftler.

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Quelle: n-tv.de

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