WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Beim RoboCup 2011, der am Sonntag in Istanbul zu Ende ging, konnten die Fußballroboter vom Team NimbRo der Universität Bonn ihren Weltmeistertitel in der TeenSize-Klasse der Humanoid-Liga verteidigen. Auch die Serviceroboter gewannen in der @Home-Liga mit klarem Vorsprung.

Nachdem die deutschen Fußballfrauen bei der FIFA-WM gegen Japan ausgeschieden sind, war es nun an humanoiden Fußballrobotern, ihren Weltmeistertitel zu verteidigen. Die Roboter Dynaped und Bodo des Bonner Teams NimbRo trafen am Sonntag im Finale des RoboCup 2011 in Istanbul auf das Team KMUTT aus Thailand. Die Bonner Roboter waren dem Gegner klar überlegen. Obwohl der thailändische Torwart viele Schüsse halten konnte, erzielte der Bonner Feldspieler Dynaped Tor um Tor. Nach einem Halbzeitstand von 6 : 0 endete das Finale vorzeitig beim Stand von 10 : 0 für NimbRo.

Auch die Bonner Haushaltsroboter konnten sich in der @Home-Liga gegen eine starke Konkurrenz durchsetzen. Die Roboter Dynamaid und Cosero gingen schon beim ersten Test in Führung. NimbRo punktete in fast allen Tests der Vor- und Zwischenrunde und ging so mit einem komfortablen Vorsprung ins Finale. Dort stellte Cosero unter Beweis, dass er sogar einen Tisch mit einem Menschen tragen kann. Der Benutzer gab dabei die Richtung vor und führte den Roboter intiutiv durch Drücken und Ziehen am anderen Ende des Tisches. Dass er ein prima Helfer im Haushalt sein kann zeigte Cosero, indem er ein Omelett in einer Pfanne zubereitete. Dynamaid holte ein Getränk aus dem Kühlschrank. Dies überzeugte die internationale Experten-Jury. NimbRo gewann mit Abstand vor dem chinesischen Team WrightEagle.

In der @Home-Liga mussten die Roboter zeigen, dass sie im Haushalt wichtige Aufgaben erfüllen können, etwa Personen und Objekte zu erkennen sowie Gesten richtig zu interpretieren. 19 Teams aus 14 Ländern traten in Istanbul in dieser Disziplin an. Bei den Fußballwettbewerben in der Humanoid-Liga des RoboCup geht es dagegen darum, mit Hilfe von Kameras die Spielsituation zu erfassen und im Team darauf zu reagieren. Herausforderung sind etwa auch die zügige Fortbewegung auf zwei Beinen und die Balance beim Schuss.

„Besonders freut mich der erstmalige Gewinn der @Home-Liga“, sagt Professor Dr. Sven Behnke, dessen Arbeitsgruppe Autonome Intelligente Systeme am Institut für Informatik VI die menschenähnlichen Fußballroboter und Serviceroboter entwickelt. In dieser Liga werden Technologien ersonnen, die in Zukunft dazu beitragen können, dass ältere oder hilfsbedürftige Menschen länger selbstbestimmt in der eigenen Wohnung leben können.

Die internationalen Wettbewerbe, die jährlich von der RoboCup-Federation veranstaltet werden, bringen tausende Forscher aus den Gebieten Künstliche Intelligenz und Robotik zusammen. Insgesamt nahmen in Istanbul über 400 Teams mit mehr als 2 800 Personen aus aller Welt in unterschiedlichen Ligen teil. Der Wettbewerb erlaubt den Wissenschaftlern den direkten Vergleich unterschiedlicher Ansätze in der Roboterkonstruktion, in der Umgebungswahrnehumg und der Verhaltenskontrolle. Im Anschluss findet ein wissenschaftliches Symposium statt, das den Austausch der besten Ideen fördert. (Quelle: idw, Foto oben: Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Uni Bonn ; Foto mitte: Service-Roboter Cosero von der Universität Bonn backt in einer Pfanne ein Omelett. (c) Uni Bonn)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Stadtpilot“ hat die Technische Universität Braunschweig in ihrem Kompetenzzentrum, dem Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik, ein Forschungsfahrzeug entwickelt, dass automatisch eine vorgegebene Strecke im regulären Verkehr fährt. Bei Geschwindigkeiten bis 60 km/h kann das Forschungsfahrzeug „Leonie“ auf der zweispurigen Fahrbahn des Braunschweiger Stadtrings die Spur halten, Kreuzungen berücksichtigen, Hindernisse beachten sowie Abstände und Geschwindigkeiten dem fließenden Verkehr anpassen.

Die Fahrstrecke führt über einen Teil des Braunschweiger Stadtrings von der Hans-Sommer-Straße bis zur Kreuzung Mühlenpfordtstraße und zurück. Ein Sicherheitsfahrer, der notfalls eingreifen kann, ist dabei vorgeschrieben.

Forschungsprojekt „Stadtpilot“

Das Forschungsprojekt „Stadtpilot“ ist weltweit bisher das einzige Forschungsprojekt, das automatisches Fahren im realen Stadtverkehr umsetzt. Bereits 2007 hatte die TU Braunschweig mit dem VW Passat Variant „Caroline“ erfolgreich an der DARPA Urban Challenge, dem weltweit führenden Wettbewerb autonomer Fahrzeuge, teilgenommen und war einer der elf Finalisten von ursprünglich 89 Bewerbern. Aufbauend auf diesen Erfahrungen entwickelt ein interdisziplinäres Team aus drei verschiedenen Fakultäten nun den Nachfolger „Leonie“.

„Der Sprung von unserem ersten Fahrzeug ‚Caroline‘ zu ‚Leonie‘ ist groß“, erläutert Professor Markus Maurer. „Während ‚Caroline‘ beim Wettbewerb in einem kontrollierten Szenario gefahren ist, gilt es hier, das reale Verkehrsaufkommen zu bewältigen. ‚Leonie‘ hat es mit vielfältigen Verkehrsteilnehmern zu tun, die unterschiedlich und manchmal sogar regelwidrig fahren. Sie muss ihre Geschwindigkeit dem fließenden Verkehr anpassen. Und schließlich ist natürlich ein umfangreiches Sicherheitskonzept notwendig.“

„‚Leonie‘ muss nicht nur die Verkehrsregeln beherrschen, sondern auch all das, was auch ein Mensch zum Autofahren braucht. Sie muss ihre Umwelt ‚sehen‘, sie muss Entscheidungen treffen und alleine Gaspedal, Bremse und Lenkrad bedienen. Die ersten autonomen Fahrten auf dem Braunschweiger Stadtring sind allein schon auf Grund der realen städtischen Umgebung ein Meilenstein und Grundlage für viele weitere Forschungsjahre“, sagt Projektleiter Jörn Marten Wille.

Ziel des Projekts „Stadtpilot“ in den nächsten Jahren ist es, den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom umfahren zu können. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen in der besonders komplexen Umgebung: der dichte Verkehr auf der teilweise baulich getrennten zweispurigen Straße stellt erhöhte Anforderungen an die Umfeldwahrnehmung, die engen Straßen erfordern eine präzise Spurplanung und die dichte, urbane Bebauung erschwert die exakte Positionsbestimmung.

Forschungsfahrzeug „Leonie“

„Leonie“ ist ein VW Passat Variant, 2.0 TDI. Via Satellitenortung kann der Wagen seine Position im Straßenverkehr berechnen. Verschiedene Laserscanner und Radarsensoren sorgen dafür, dass „Leonie“ ihr Umfeld in jedem Moment wahrnehmen und dann im Rechner weiterverarbeiten kann.
Das Land Niedersachsen hat die Ausnahmegenehmigung für die Fahrten im realen Stadtverkehr (auf dem Braunschweiger Stadtring) erteilt. Sie basiert auf einem Gutachten des TÜV Nord Mobilität. Ein Sicherheitsfahrer ist dabei vorgeschrieben. Ein weiterer Fahrer gibt derzeit noch die Ampelphase ein, die noch nicht von „Leonie“ erkannt werden. (Quelle: idw; Foto: TU Braunschweig, Forschungsfahrzeug „Leonie“ vor dem Altgebäude der TU Braunschweig.)

Kontakt:
Prof. Markus Maurer
Dipl.-Ing. Jörn Marten Wille
TU Braunschweig
Institut für Regelungstechnik
Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme
Hans-Sommer-Str. 66
D-38106 Braunschweig
Tel.: +49-531/391-63060
E-Mail: maurer@ifr.ing.tu-bs.de
wille@ifr.ing.tu-bs.de

Ist es möglich, einen Roboterwissenschaftler zu bauen, der neue Erkenntnisse gewinnt? Ein solcher lernfähiger, mit Künstlicher Intelligenz gefütterter Automat muss den gesamten Forschungsprozess beherrschen: Er bildet Hypothesen, testet sie durch eigenständig entworfene und durchgeführte Experimente, interpretiert die Resultate und wiederholt diesen Zyklus, bis er auf neues Wissen stößt. In der Märzausgabe von Spektrum der Wissenschaft präsentiert der Informatiker Ross D. King von der Aberystwyth University in Wales einen Apparat, der all das kann.

Der Roboter heißt Adam, sieht aber einem Menschen gar nicht ähnlich: Adam ist ein automatisches Labor von der Größe eines kleinen Bürozimmers. Die Ausrüstung umfasst unter anderem einen Kühlschrank, Vorrichtungen zum Manipulieren von Flüssigkeiten, Roboterarme, Inkubatoren und eine Zentrifuge – alles automatisiert. Natürlich besitzt Adam auch ein leistungsstarkes Computergehirn, das Schlüsse zieht und die Einzelrechner für die Hardwaresteuerung kontrolliert.

Der Forschungsroboter untersucht, wie einzellige Kleinstlebewesen wachsen, indem er bestimmte Mikrobenstämme und Nährstoffe auswählt und dann mehrere Tage lang beobachtet, wie die Kulturen gedeihen. Der Roboter kann pro Tag rund tausend solche Versuche in Gang setzen. Auf diese Weise erforscht Adam ein wichtiges und gut automatisierbares Gebiet der Biologie, die funktionelle Genomik. Sie untersucht den Zusammenhang zwischen Genen und ihrer Funktion.

Tatsächlich fand Adam einen zuvor unbekannten Zusammenhang zwischen drei Genen der Backhefe und einem bestimmten Enzym. Doch darf man Adam deshalb gleich als Wissenschaftler bezeichnen? Die Maschine ist ein Prototyp, und immer wieder muss ein Techniker eingreifen, um Fehler in der Hardware und Software zu beheben. Auch arbeiten die Softwaremodule ohne menschliche Hilfestellung noch nicht problemlos zusammen. Trotzdem: Adams Vorgehensweise, Hypothesen zu bilden und neues Wissen experimentell zu bestätigen, benötigt keine intellektuelle oder körperliche Anstrengung seitens des Menschen. In diesem Sinne arbeitet er autonom.

Unterdessen hat Kings Team einen zweiten Roboter gebaut: Eva wendet dieselben automatisierten Forschungszyklen wie Adam an, aber diesmal auf das Entwickeln und Testen von Medikamenten. Evas Forschungen konzentrieren sich auf Tropenkrankheiten wie Malaria und Schlafkrankheit. Adams automatische Kollegin hat bereits einige interessante Verbindungen gefunden, die gegen Malaria zu wirken scheinen. King ist überzeugt, dass mit fortschreitender Computertechnik und Künstlicher Intelligenz immer gewieftere Roboterwissenschaftler entstehen werden.

Ob sie jemals zu umwälzenden Erkenntnissen oder immer nur zur Routineforschung fähig sein werden, ist eine Grundfrage über die Zukunft der Naturwissenschaft. Einige Forscher meinen, durch Automatisierung sei keine wissenschaftliche Revolution zu erreichen. Andere behaupten, in hundert Jahren würde der beste Physiker eine Maschine sein. Die Zukunft wird zeigen, wer Recht behält. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, März 2011, Foto: Jem Rowland, Aberystwyth University )

Wissenschaftler aus Europa, Israel und den USA entwickeln Roboterratten, die bei Rettungsmissionen und Planetenforschung helfen können. Auf der Grundlage der Prinzipien des aktiven Abtastens, das im Tierreich weit verbreitet ist, hat das multinationale Team innovative Tasttechnologien entwickelt, einschließlich der ‘Schnurrhaare’ an Roboterratten.

Welches Geheimnis verbirgt sich hinter den Schnurrhaaren? Warum ist der Tastsinn der Schnurrhaare so viel effizienter als die Fingerspitzen einer durchschnittlichen Person? Nachttiere haben einen ausgeprägten Tastsinn, den sie weit mehr als ihr Sehvermögen einsetzen, um die physischen Informationen in ihrer Umgebung kennenzulernen und aufzunehmen. Zu diesen Tieren zählt beispielsweise die Ratte. Mehrere Gruppen des internationalen Forschungsteams testen die Art und Weise, in der Ratten ihre borstigen Schnurrhaare benutzen, um ihre Umgebung zu erkunden und wie das Gehirn die gesammelten Informationen verarbeitet.

Die Wahrnehmung beginnt in den Neuronen an der Basis der Schnurrhaare, die dann umgehend Signale an das Gehirn übermitteln. Darüber hinaus haben die Experimente gezeigt, dass die Art und Weise wie die Ratte ihre Schnurrhaare einsetzt, vom Kontext abhängig ist.

Der scheinbar einfache Akt des Abtastens eines dreidimensionalen Objekts benötigt drei verschiedene Arten von Codes, wobei jeder Code eine andere Information enthält - die Horizontale, die Vertikale und die Radiale (die Entfernung von der Basis der Schnurrhaare). Je näher sich ein Objekt an der Schnauze befindet, desto höher die Anzahl der Neuroübermittlungen.

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es einerseits, ein besseres Verständnis des Gehirns zu erzielen, und andererseits die Technologie voranzubringen. Damit gemeint ist, dass Forscher Roboter als experimentelle Werkzeuge einsetzen, indem die Wissenschaftler Schritt für Schritt ein System aufbauen, das dem Gehirn ähnelt. Aus diesem Grund wird biologisches Wissen den Robotikwissenschaftlern ermöglichen effizientere Maschinen zu bauen, damit sie dann in Rettungs- und auch in Suchmissionen unter schlechten Sichtbedingungen eingesetzt werden können. So könnte die grundlegende Erforschung von Tieren zum Wohl des Menschen beitragen. (Quelle: idw, Abb. Roboterratte (c) Weizmann Institute of Science)

Video: OLED-Technologie

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von OLEDs beachtliche Fortschritte erzielt, so dass die bislang limitierte Lebensdauer der Bauteile bereits für viele Anwendungen ausreicht. Der große Durchbruch lässt allerdings aus produktionstechnischen Gründen noch auf sich warten. Bisher kann man keine Anwendungen auf großen Flächen herstellen, die den Einsatz für die Beleuchtungsindustrie ermöglichen würden.

Die Glühbirne wird bereits von der LED abgelöst und die OLEDs stehen für Beleuchtungsapplikationen vor der Tür. Durch ihre Beschaffenheit lassen sich die OLEDs auf unterschiedliche Trägermaterialien aufdrucken und beflügeln dabei die Fantasie der Entwickler und Designer durch unterschiedlichste Einsatz- und Gestaltungsmöglichkeiten. Doch auch in der Displaytechnologie versucht die OLED Einzug zu halten. Durch ihre selbstleuchtende Eigenschaft können Bildschirme ein vielfach höheres Kontrastverhältnis als herkömmliche LCD- oder Plasma-Schirme erreichen.

OLEDs bestehen aus einer auf ein transparentes Material aufgebrachten, ebenfalls transparenten Elektrode und einer darüberliegenden Schicht aus organischen Materialien. Den Abschluss bildet eine zweite Elektrode. Legt man zwischen den beiden Elektroden eine Spannung an, so fließt Strom, und in der organischen Schicht wird Licht ausgestrahlt. Die Farbe des Lichtes ist durch die Auswahl der organischen Schichtmaterialien einstellbar. Höchste Präzision ist hier geboten. Wer Fertigungsanlagen für OLEDs plant, muss dies unbedingt berücksichtigen. Noch ist zu wenig bekannt, welche Werte für den Wassergehalt und damit für den Druck in den Anlagen eingehalten werden müssen.

Bei der Entwicklung der OLED-Technologie belegt Deutschland derzeit einen Spitzenplatz im internationalen Wettbewerb. Um diese Position zu sichern und auszubauen, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die “Leitinnovation Organische Leuchtdioden” im Rahmen mehrerer Programme. Ziel ist es, insbesondere großflächige OLED-Beleuchtungselemente in Zukunft wirtschaftlich herstellen zu können. (Quelle: idw)

Was sich wie ein Delikt anhört, nämlich das »Tunneln« ist ein ganz normaler quantenphysikalischer Vorgang. Erstmals ist es nun gelungen Elektronen live zu beobachten, wie sie die Atome verließen, von denen sie gefangen gehalten wurden (Heraustunneln).

Der Tunneleffekt erklärt unter anderem, wie es zur Kernfusion in der Sonne kommt oder auch die Funktionsweise des Raster-Tunnelmikroskops, mit dem man bis zu 100-Millionenfach vergrößern kann. Der Fernsehprofessor der Physik, Harald Lesch, demonstriert in der Bildungssendung Alpha Centauri eindrucksvoll, was es mit diesem Phänomen »Tunneleffekt« auf sich hat. Zu Beginn schwebt er durch die Tafelwand der Fernsehkulisse, so wie ein Geist, den keine Barriere von einem Spuk abhalten kann. Gleich darauf nimmt er wieder eine feste Gestalt an und erklärt, dass der Zuschauer seine Vorführung mit Vorsicht genießen soll. Mit dieser Warnung hat er wohl recht. Denn wenn ein Zuschauer es ihm gleich tun wollte, würde er nur Beulen und blaue Flecke davontragen. Die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen durch Wände gehen können, ist verschwindend gering. Nur mikroskopischen Quantenobjekten wie Elektronen oder Protonen gelingt dieses Kunststück mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit.

Man kann den Effekt am Beispiel einer Kugel erklären, die ein Mensch mit Schwung einen Hügel hochrollen lässt. Wenn die Energie, welche der Kugel mitgegeben wird, nicht genügt, rollt die Kugel immer wieder zurück, anstatt die Kuppe zu überwinden und ins nächste Tal zu gelangen. In der Quantenphysik besteht dagegen für Quantenobjekte die Möglichkeit den Potentialwall, wie der Hügel genannt wird, zu durchtunneln. In einem Augenblick befindet sich das Quantenobjekt noch vor dem Potentialwall und im nächsten Augenblick schon dahinter im nächsten Tal. Es ist ein sprunghafter Übergang ohne Zwischenzustände.

Heraustunneln von Elektronen aus Atomen

Noch niemand konnte bisher das Quanten-Tunneln in Echtzeit beobachten. Dieses Kunststück ist nun Physikern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik gelungen. Sie haben das Heraustunneln von Elektronen aus einem Atom erstmals in live verfolgt. Die elektrischen Kräfte innerhalb eines Atoms halten normalerweise jene Elektronen fest, die sich in seinem Inneren aufhalten. Die Kräfte bilden den Potentialwall, den es zu überwinden gilt, wenn sich ein Elektron aus dem Atom herauslösen soll.

Der Trick der Max-Planck-Physiker bestand darin, mit Hilfe von Attosekunden-Laserblitzen die Elektronen näher an den Rand ihres Atomgefängnisses zu bringen. Eine Attosekunde ist milliardster Teil einer milliardstel Sekunde und damit unvorstellbar kurz. Der Laserblitz vergrößert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen aus ihrem Atomgefängnis entkommen können. Und tatsächlich, nach einem zweiten Laserblitz, der die Breite des Potentialwalls ein wenig verringerte, nutzen die Elektronen die Gelegenheit, um herauszutunneln.

Atome, denen ein Elektron fehlt, sind positiv geladen. Als die Physiker im Anschluss an das Experiment die positiv geladenen Atome zählten, waren sie nicht schlecht überrascht, dass zahlreiche Elektronen entkommen waren. Noch interessanter ist aber die Feststellung, dass der Zeitbedarf für das Heraustunneln praktisch kaum messbar ist, sodass die Physiker annehmen, der Tunnelprozess benötige überhaupt keine Zeit. Die Erkenntnisse sollen helfen, bessere Röntgenlaser für die medizinische Therapie zu entwickeln.

Tunneleffekt und Hirnforschung

In der Hirnforschung kann das quantenmechanische Tunneln möglicherweise eine Erklärung für die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen liefern. Die einzelnen Neuronen des Gehirns werden durch Schnittstellen verbunden, die Synapsen heißen. Diese besitzen einen winzigen Spalt, der überwunden werden muss, wenn ein Signal von Neuron zu Neuron übertragen werden soll. Die herkömmliche Theorie besagt nun, dass zur Übertragung von Signalen an den Synapsen, das ursprünglich elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt werden muss. Die Theorie kann aber nicht die Geschwindigkeit von bewussten Denkprozessen erklären. Wie jeder weiß, der schon mal einen Akku am Stromnetz geladen hat, benötigt die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische erhebliche Zeit. Würde die herkömmliche Theorie stimmen, müsste Denken schneckengleich langsam sein. Weil das der Erfahrung widerspricht, nehmen einige Hirnforscher an, dass der extrem schnelle quantenmechanische Tunneleffekt zur Überwindung des synaptischen Spalts eine Rolle spielt. Sollte man das experimentell bestätigen können, hätte man gleichzeitig eine Verbindung von Bewusstsein zur Welt der Quanten mit all ihren seltsamen Phänomenen gefunden. - Klaus-Dieter Sedlacek - (Foto: R.Motti via flickr.com)

Der Autor ist Verfasser des Buchs mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein, Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen« in dem aufgrund quantenphysikalischer Phänomene die Existenz von Bewusstsein auch außerhalb des Gehirns nachgewiesen wird.