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Video der Woche: Roboter bauen nach Termiten-Art

Eine Horde Roboter baut gemeinsam ein Gebäude ohne konkrete Bauanweisungen oder externe Steuerung: Zu dieser verblüffenden Leistung sind neu entwickelte Termiten-Roboter von US-Forschern in der Lage. Die winzigen Baumeister der Natur waren tatsächlich auch das Vorbild der Entwickler: Ohne Bauleitung können Termiten komplexe Monumentalbauten errichten. Die Grundregeln ihrer Verhaltensweisen haben die Wissenschaftler erfolgreich auf ihre kleinen Bauarbeiter übertragen. Eines Tages könnten Bautruppen aus flexibel agierenden Termiten-Robotern beispielsweise Schutzdämme aus Sandsäcken errichten, so die Vision.

Architekten entwerfen Baupläne, Bauleiter setzen diese Vorgaben um und teilen Arbeitern vor Ort genau mit, was sie zu tun haben: Die Errichtung menschlicher Konstruktionen erfordert exakte Planung und detaillierte Absprachen. Doch in der Natur entstehen Bauten auch auf andere Weise: Termiten errichten ihre Nestbauten ohne klare Koordination oder komplexe Kommunikation. Stattdessen definieren Raum-Informationen, simple Signale zwischen den Mitarbeitern und ein paar Grundregeln, wo die Tierchen einen Baumaterial-Klumpen absetzen.

Der Fachbegriff für dieses Konzept heißt Stigmergie. Das gemeinsame Werk wird bei diesem System immer wieder selbst zum Auslöser von weiteren Aktivitäten. Bei Termiten tragen die Einzeltiere Partikel feuchten Erdreichs herbei, versehen es mit Duftstoffen (Pheromonen) und platzieren es an der Baustelle. Durch die Pheromone werden wiederum andere Arbeiter angezogen und so bilden sich Hotspots der Bauaktivität. Dies führt allmählich dazu, dass Kamine, Bögen, Tunnel und Kammern entstehen.

„Termiten haben unsere ganze Forschungsarbeit inspiriert“, sagt Justin Werfel vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Cambridge. „Die Herausforderung war es, Roboter zu bauen, die ähnlich wie diese Tiere arbeiten, aber bauen, was Menschen wollen“. Die Forscher entwickelten dazu sogenannte Algorithmen, Handlungsvorschriften die dem Verhalten von Termiten entsprechen und programmierten damit ihre Bau-Roboter. Sie orientieren sich prinzipiell an einem einprogrammierten Raumgittermodell, verfügen aber auch über Sensoren, mit denen sie Bausteine und andere Roboter in ihrer Umgebung wahrnehmen können.

Simple Regeln für den Einzelnen – komplexe Leistung aller

Findet ein Roboter einen Baustein, nimmt er ihn hoch, trägt ihn zum nächsten offenen Platz in der Konstruktion und platziert ihn dort. Die kleinen „Arbeiter“ folgen zusätzlich noch simplen Regeln, die zum Bau einer jeweiligen benutzerdefinierten Struktur führen. Diese Regeln bestimmen beispielsweise, nach welchem Grundprinzip sie die Steine absetzen sollen und wann sie eine Stufe höher auf eine Reihe von Bausteinen klettern dürfen. Die einzelnen Roboter müssen aber nur wenige Regeln kennen – das intelligente Verhalten entsteht aus der Gruppendynamik, erklären die Forscher. Mit anderen Worten: Einfache Regeln bestimmen den Bau-Prozess anstatt eine genaue Umsetzung von vorgefertigten Plänen, wie bei Konstruktionen des Menschen.

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Dieses Konzept hat enorme Vorteile, betonen die Forscher: „Einzelne Roboter können ausfallen, aber dann arbeiten die anderen immer noch weiter“, so Werfel. „Es gibt kein kritisches Element, das die Mission zum Scheitern bringt“. Die Arbeitsleistung lässt sich außerdem ganz einfach und beliebig durch die Zahl der eingesetzten Roboter einstellen. Bei einem herkömmlichen Robotersystem ist das hingegen nicht so einfach möglich, da die Koordinationsleistung begrenzt ist.Truppen aus „Termiten-Robotern“ könnten für den Menschen eines Tages Strukturen errichten, wo es gefährlich oder schwierig ist, so die Vision der Forscher. Bis zu einer solchen Leistungsfähigkeit sei es aber noch ein langer Weg, räumen sie ein.

Originalarbeit der Forscher:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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