Das Forschungsprojekt Roboy 2.0 tritt bereits selbständig in die Pedale (Quelle: obs/Autodesk/Roboy)
Der menschliche Körper ist - aus der Sicht eines Roboters betrachtet - ein Meisterwerk: agil, dynamisch, flexibel und trotzdem stark. Wunden heilen sich von selbst und in der Benutzung ist er völlig geräuschlos. Ein über Millionen von Jahren perfektioniertes Skelett erlaubt ihm den aufrechten Gang, das komplexe Zusammenspiel zahlloser Muskeln, Sehnen und Gelenke geschicktes und filigranes Arbeiten mit den Händen.
Von dieser Höchstleistung der Evolution sind Roboter zum jetzigen Zeitpunkt noch weit entfernt. Ein Entwicklerteam des non-profit Projektes Roboy aus München hat sich aber das Ziel gesetzt, einen Roboter zu entwickeln, der dem Menschen im gesamten Auftreten so nahe wie möglich kommen soll.
Roboy 2.0 (sprich Roboy two-oh) ist ein interdisziplinäres Grundlagenforschungsprojekt mit einem ziemlich ambitionierten Entwicklungsplan.
"Unser Ziel ist es, einen humanoiden Roboter zu konstruieren, der genau so funktional ist wie der menschliche Körper", erklärt Rafael Hostettler, Leiter des Roboy Projekts. "Er soll sich nicht nur bewegen können wie ein Mensch, sondern auch sehen, hören und interagieren können wie wir."
Interdisziplinäre Teams entwickeln gemeinsam ein komplexes Modell
Deshalb vereint das Team mit über 100 Studierenden, Doktoranden und Absolventen der Technischen Universität München Experten aus den verschiedensten Fachbereichen. Gemeinsam arbeiten sie mit einem internationalen Netzwerk von Wissenschaftlern schon seit Jahren an der Entwicklung des humanoiden Roboters. Das Royal Institute of Technology in Stockholm (Neuroprothetik), die Chinese University of Hong Kong (Algorithmik zur Ansteuerung des Roboters), Oxford University (Belastung von künstlichen Sehnen während deren Wachstums) und natürlich die Technische Universität München (Robotik & Echtzeitsysteme, Produktentwicklungsmethoden) sind zum Beispiel ständige Kooperationspartner.
In der aktuellen Entwicklungsstufe kann Roboy bereits auf einem Rad in die Pedale treten, Personen erkennen und einfache Gespräche führen. Schon im Herbst soll er dann Xylophon spielen - eine aufgrund der benötigten Dynamik für Roboter besonders komplexe Aufgabe - im nächsten Jahr bereits Eis verkaufen können. 2020 soll er in der Lage sein, grundlegende medizinische Diagnostiken durchzuführen. Die gesamte Forschung ist Open Source und schafft Grundlagen in Robotik, Künstlicher Intelligenz und audiovisueller Datenverarbeitung.
"Sparen wir in der Hand ein paar Gramm, purzelt das Gewicht in der Hüfte"
Auch der Aufbau, das Gewicht und die Beschaffenheit der knochenähnlichen Bauteile spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. So bilden die Ingenieure mit innovativen Methoden wie 3D-Druck oder Generativem Design - sprich der Gestaltung eines Objekts mithilfe eines zuvor programmierten Algorithmus und Künstlicher Intelligenz in einer Cloud - Knochen, Muskeln und Sehnen nach, anstatt, wie im Roboterbau sonst üblich, Gelenke mit Motoren lediglich zu ersetzen.
Für die Entwicklung von Roboy 2.0 nutzt das Team Autodesk Fusion 360 mit Generativem Design. Das erlaubt den Wissenschaftlern im sogenannten generativen Designprozess, das Gewicht wichtiger Bauteile des Roboters deutlich zu reduzieren und die Stabilität gleichzeitig zu erhalten.
"Sparen wir in der Hand ein paar Gramm Gewicht, reduzieren sich die Kräfte, die die Hüfte aushalten muss und wir können sie dementsprechend leichter machen", so Hostettler. "Dadurch können wir wiederum bei allen weiteren Komponenten Gewicht sparen, was Roboy noch agiler macht." Kein Selbstzweck, denn Roboy soll langfristig selbstständig Laufen lernen. Für die ersten Schritte ist ein leichter und trotzdem stabiler Stand Pflicht.
Bei Roboy 2.0 wird Generatives Design aktuell in der Hüfte angewandt. Das Team brauchte dank Berechnungen in der Cloud nur drei Tage für die Entwicklung der ersten Prototypenversion. Als nächste zu überarbeitende Teile sind die Kopfschale und die Motorgehäuse in Planung. Mittelfristig soll so sogar die Wirbelsäule mit den beweglichen Elementen des Roboters optimiert werden.
Eine internationale Arbeitsplattform als Schlüssel zum Erfolg
Autodesk Fusion 360 dient den Forschern bei all dem nicht nur als Design- und Arbeitsplattform, sondern ermöglicht ihnen darüber hinaus Kollaboration über Standort- und Ländergrenzen hinweg. Das Tool wurde als eine agile Arbeitsumgebung entwickelt, das es den Forschern ermöglicht in extrem kurzen Entwicklungszyklen, so genannten Sprints, zu arbeiten. Alte Versionen können so schnell wiederhergestellt oder zwei Optionen parallel geprüft werden. Agile Methoden helfen hierbei, in dem sie eine hierarchiefreie Kommunikation etablieren und schnelle Interaktion mit Prototypen erlauben. Die einzelnen Projektgruppen können so sehr schnell auf Veränderungen reagieren.
3D-Druck sorgt für zügige Entwicklungsschritte
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Autodesk Fusion 360 ist die direkte Eignung der darin erstellten Designs für 3D-Druckverfahren. In Fusion erstellte Dateien müssen nicht erst langwierig für den Druck aufbereitet werden, sie lassen sich stattdessen direkt in 3D-gedruckte Objekte umsetzen. Bei Roboy 2.0 sind fast alle Teile lasergesintert, d. h. in kunststoffähnlichen Materialien 3D-gedruckt.
"Klassische Frästeile benötigen etwa sechs bis acht Wochen Lieferzeit, eine Ewigkeit in der agilen Produktentwicklung", erklärt Hostettler. "In diesem Zeitraum haben wir bereits drei bis vier neue Produktvarianten entwickelt."
Ein weiterer Vorteil: Die Geometriefreiheit des 3D-Drucks erlaubt es dem Team, Bauteile so zu designen, wie sie sein sollten, nicht wie sie aufgrund von Fertigungshemmnissen erstellt werden müssen. Die werkzeugfreie Herstellung spart darüber hinaus Zeit und Kosten.
Roboy 2.0 liefert medizinische Erkenntnisse
Roboy 2.0 ist ein faszinierendes Beispiel für menschlichen Entwicklungsgeist. Auch wenn der Roboter selbst heute insgesamt primär noch der Grundlagenforschung dient, so haben die im Zuge der Entwicklung gewonnen Erkenntnisse schon heute Auswirkungen auf zahlreiche andere Sparten. Das Projekt findet Anwendung in der Mensch-Roboter-Kollaboration. Auch für die Entwicklung innovativer Prothesen oder Exoskelette hat das Projekt unschätzbaren Wert. Neurowissenschaftler verstehen mit Hilfe der im Projekt Roboy 2.0 gewonnen Erkenntnisse besser, wie der menschliche Körper das Zusammenspiel von über 600 Muskeln koordiniert.