Im Legolab schaffen Informatiker Spielzeugroboter mit künstlicher Intelligenz. Spielen für die Forschung, lautet die Devise von Hendrik Hautop Lund. Mit seinen schlauen Lego-Robotern sorgt der 29jährige Däne für Furore.
Es gibt so Momente im Leben, da dämmert es einem, daß man den falschen Beruf ergriffen hat. Statt im Büro zu hocken, hätte man sich lieber seinen Jugendtraum erfüllen sollen: Lokführer zum Beispiel (heute leider “out”) oder Astronaut (schon besser). Auch nicht schlecht: Den ganzen Tag Legospielen und dafür einen Haufen Geld kassieren. Ja, das wär’s!
Der junge Mann mit dem blonden Pferdeschwanz, der bäuchlings auf dem Linoleumboden des ungeheizten Baucontainers liegt, hat diesen Traum wahr gemacht: Er spielt mit Bauklötzen – und wird auch noch dafür bezahlt. Gerade richtet er per Fernsteuerung die Spritze eines mindestens tausendteiligen Lego-Feuerwehrautos auf ein Haus, um im nächsten Moment wie auf dem Jahrmarkt Plastik-Männchen mit einem dünnen Wasserstrahl aus dem Fensterrahmen zu ballern. Zuvor hat er einen grimmig dreinblickenden Roboter namens Elektra aufgeheitert, indem er ihm bunte Steinchen in den Bauch schob – aber gelb-rote bitteschön, blau-schwarze mag der Klötzchenkerl nicht, dann zieht er einen Plastikschlauch zum Schmollmund. Diesmal hat’s wohl geschmeckt: Wo bei Wesen aus Fleisch und Blut das Herz sitzt, wirbeln bunte Blumen, und die Hände auf der Fankappe klatschen wie wild.
Spielen für die Forschung – so könnte man die Arbeit von Hendrik Hautop Lund beschreiben. Lund ist Leiter des Legolab an der Universität èarhus in Dänemark. Der Pro-fessor betreut 12 Diplomanden sowie einen Doktoranden und bringt in seinem Kurs rund 40 Informatik-Studenten bei, warum sich reale Roboter mitunter anders verhalten als abstrakte Modelle im Computer. Daß er mit 29 Jahren kaum älter ist als seine Studenten, findet Lund normal. In Dänemark sei es halt einfacher, Professor zu werden.
In den beiden kahlen Baucontainern, die den größten Teil des Legolab beherbergen, gibt es für Kinder und für Junggebliebene viel zu entdekken: Mächtige Archivschränke, in denen feinsäuberlich sortiert Abertausende von bunten Legosteinchen auf ihren Einsatz warten. Oder Regale mit Spinnen und anderem skurrilem Getier aus Lego, das Hindernisse überwindet oder automatisch die hellste Stelle im Raum sucht.
Basis der meisten Roboter im Legolab ist Mindstorms, ein Baukasten, den der dänische Spielzeug-Konzern zusammen mit Informatikern und Lerntheoretikern vom Massachusetts Institute of Technology in Boston entwickelt hat (siehe Techniktest auf Seite 29). Für Hendrik Hautop Lund ist Mindstorms ein Glücksfall: “Damit können wir Roboter sehr schnell bauen, programmieren und verändern.” Die Kreationen, die neben Zentraleinheit, Sensoren und Motoren stets noch mit allerlei überflüssigen, aber witzigen Gimmicks verziert werden, sollen vor allem eine Frage beantworten: Wie lassen sich Maschinen konstruieren, die nicht nur stumpfsinnig eine Aufgabe erledigen, sondern sich selbständig auf wechselnde Anforderungen einstellen?
Der Weg ins Hauptgebäude, das die Universität für die größeren Exponate zur Verfügung gestellt hat, zeigt einmal mehr das lockere Arbeitsklima am Legolab. Lund scherzt mit einem Diplomanden, der auf einer mit Legosteinen übersäten Wolldecke in der winterlichen Sonne liegt und eifrig an einem Roboter bastelt. Dann geht es weiter in die Halle zu “Pacman”.
Pacman ist der Klassiker unter den Computerspielen. Der Spieler steuert ein (gutes) Männchen durch ein Labyrinth, das zwei (böse) Männchen verfolgen, um es zu verspeisen. Im Legolab wird der Kampf um fressen und nicht gefressen werden nicht am Bildschirm, sondern auf einem zwei mal zwei Meter großen Spielfeld ausgetragen, das auf dem Boden aufgemalt ist. Der Boden ist weiß, das Labyrinth sind schwarze Linien, Wände gibt es nicht. Zwei (böse) rote Mindstorms-Roboter suchen sich mit Hilfe von Helligkeitssensoren ihren Weg durchs Labyrinth und jagen den (guten) gelben Roboter, den Hendrik Hautop Lund per Fernsteuerung dirigiert.
Die virtuelle Realität in die reale Realität holen – das ist Lunds Devise. Denn die Wirklichkeit kennt kein Pardon. Stoppen die Freßmännchen wirklich an den schwarzen Linien, auch wenn sich das Umgebungslicht ändert? Was passiert, wenn die beiden bösen Roboter aneinanderrempeln? Gar nicht so einfach, das vorherzusehen, sagt Lund ernst – um gleich wieder zu schmunzeln: Einer der roten Roboter hat den gelben zur Strecke gebracht.
Lund und Lego – wie kam es zu der ungewöhnlichen Verbindung? Nach Forschungsaufenthalten in Rom und Edinburgh holte ihn 1997 das Dänische Nationale Zentrum für Forschung in der Informationstechnologie an die Universität èarhus zurück. Mit dieser Institution fördern Staat und Industrie zusammen zukunftsweisende Entwicklungen auf dem Computersektor. Im Falle des Legolab steuert Lego die Hälfte des Budgets bei – dennoch sind Lunds Mannen in ihrer Forschung weitgehend frei und leiden nicht unter dem Druck, irgendwann ein verkaufbares Produkt prä-sentieren zu müssen.
Im Legolab geht es um künstliche Intelligenz, genetische Algorithmen, neuronale Netze – Begriffe, die auch Hendrik Hautop Lund locker über die Lippen gehen. Doch er begreift sie anders als viele seiner Kollegen aus der traditionellen Informatik. Statt mit idealisierten Modellen und eigens zusammengelöteten Robotern, arbeitet Lunds Team mit Spielzeug. Das macht die Sache nicht unbedingt einfacher: In Industrieanwendungen würden die Mindstorms-Bausteine kaum durchgehen. Nicht alle Sensoren reagieren gleich auf Lichteinfall oder Druck, nicht jeder Motor dreht sich bei gleicher elektrischer Spannung gleich schnell. Starre Programme führen deshalb nicht zum Ziel, wenn Alltagssituationen gemeistert werden müssen. Da geht es Robotern nicht anders als Menschen: Sie reagieren nicht immer gleich und vorhersehbar.
Im Legolab werden Fehler von vornherein akzeptiert und durch evolutionäre Prozesse – Motto: Der Stärkere überlebt – ausgemerzt. Ein Beispiel: Ein Roboter soll einen Ball aufsammeln und möglichst schnell in ein Tor befördern. Statt nur ein Steuerprogramm, schreibt das Team mehrere, manchmal hundert leicht verschiedene Programme und läßt sie gegeneinander antreten. Das erfolgreichste “Erbgut” wird gekreuzt, einige zufallsgesteuerte Mutationen eingeführt und wieder getestet. Im Idealfall kristallisiert sich ein Roboter heraus, der viele Tore schießt und im Sinne der Computerwissenschaft “robust” ist, sich zum Beispiel nicht so leicht durch Rempler oder verschiedenfarbige Bälle beirren läßt.
Dieses Konzept soll das Spiel von Kindern revolutionieren – und eines Tages sogar unseren Alltag. Während der Mindstorms-Baukasten bisher gedacht ist für Jugendliche ab zwölf, die schon mit der Programmierung am PC zurechtkommen, sollen künftige Versionen auch für kleinere Kinder geeignet sein. Das Kind kann dann eine Aufgabe vorgeben und unter den angebotenen Lösungen die beste auswählen. “Kinder können Gott spielen”, sagt Lund lächelnd.
Dieses spielerische Prinzip von Versuch und Irrtum könnte schon bald in Alltagsgegenstände einziehen, die mehr und mehr mit Mikroprozessoren ausgerüstet werden. Eine erste Anwendung könnten Hörgeräte sein, die sich selbst programmieren.
Der Patient entscheidet nur, ob der Klang gut oder schlecht ist, und der Mikrocomputer findet die richtigen Einstellungen für verschiedene Geräuschsituationen selbst.
Zu Weltruhm gelangte Lunds Team mit einem Projekt, das jetzt in der dunklen Halle neben dem Pacman-Parcour eingemottet ist. Parallel zur Fußballweltmeisterschaft 1998 in Frankreich trugen Roboterkonstrukteure aus aller Welt in Paris den “Robocup” aus. Lunds Team nahm nicht nur mit eigenen Kreationen teil – darunter Spieler, die die Nationalhymne herunterdudeln und dazu den Mund bewegen -, sondern entwarf auch das Stadion. In der Arena mit dem scherzhaften Namen “Victor Lego” (sprich: “Lögo”) formieren 1500 Legomännchen ohne externe Steuerung die berühmte mexikanische Welle “La Ola”, eine fahrbare Minikamera auf dem “Tribünendach” behält den Ball automatisch im Visier. Es ist wirklich an alles gedacht: Sogar die Bandenwerbung dreht sich alle 30 Sekunden.
“Rund 250 Millionen Menschen haben Ausschnitte des Robocup im Fernsehen gesehen”, schätzt Lund, der in Paris von einem Interview zum nächsten hetzte.
Danach regnete es jede Menge Einladungen: Im japanischen Fernsehen erzählte der große Blonde über seine Arbeit, besuchte vor laufenden Kameras eine japanische Familie und assistierte Vater und Sohn beim Zusammenbau ihres ersten Mindstorms-Roboters.
Wir sind Wissenschaftler”, antwortet Hendrik Hautop Lund immer, wenn ein Gesprächspartner angesichts eines Fußballroboters mit rotem Haarwuschel und Glubschaugen, der auf den Namen “Ruud Gullit” getauft wurde, an der Ernsthaftigkeit des Legolab zu zweifeln beginnt. Und tatsächlich: Auch die Fachkollegen nehmen neuerdings die Arbeiten in èarhus zur Kenntnis. Lunds Spezialität ist, bestimmte Verhaltensmuster von Tieren mit deren neuronaler Aktivität im Gehirn zu verknüpfen. Weil das im Tierversuch nur schwer zu entschlüsseln ist, baut Lund “tierische” Roboter. Mit seinen Biobots gab er den Kollegen aus der Biologie schon manch harte Nuß zu knacken: Verhaltensforscher haben in Experimenten mit Ratten herausgefunden, daß die Nager bei der Suche nach verstecktem Futter im Gehirn sogenannte kognitive Karten anlegen. An diesen Lageplänen orientieren sie sich, wenn sie das nächste Mal wieder in das Labyrinth gesetzt werden.
Lund und sein Kollege Orazio Miglino von der Universität in Neapel stellten den Versuch mit einem Khepera-Roboter nach – einer Art elektronischer Big-Mac auf drei Rädern, der in vielen Roboterlabors zu Tests in künstlicher Intelligenz verwendet wird. Die Robo-Ratte enthielt ein neuronales Netz mit nur zehn Knoten, das ähnlich wie ein Netz aus Neuronen im Gehirn funktionierte. Zwei Infrarot- und vier Berührungssensoren tasteten den Parcour ab und steuerten via neuronales Netz zwei Motoren.
Ergebnis: Die Robo-Ratte fand das “Futter” – ein verstecktes Klötzchen -, obwohl sie so konstruiert war, daß sie keine kognitiven Karten speichern konnte. Statt dessen unterwarfen Lund und Miglino ihren Roboter einem Lernprozeß, bei dem die Verknüpfungen des neuronalen Netzes gekreuzt, mutiert, getestet und wieder gekreuzt wurden. Nach einigen Generationen ähnelte sich das Verhalten von Ratten und Robotern verblüffend.
Dennoch geht Lund davon aus, daß die Theorie der Biologen korrekt ist und reale Ratten tatsächlich mit kognitiven Karten arbeiten. Nur: “Die bisherigen Experimente reichen nicht aus, das zu beweisen”, sagt Lund.
Den Versuchen mit den Robo-Ratten haftet allerdings ein Mangel an: Die Experimente sagen nichts darüber aus, was wirklich im Gehirn eines Lebewesens vorgeht. In einem Experiment mit Grillen ging Lund deshalb noch einen Schritt weiter:
Weibliche Grillen orten das Zirpen paarungswilliger Männchen durch Trommel-felle in den Vorderbeinen, die über zwei Röhren mit Hohlräumen im Körper verbunden sind. Durch Laufzeitunterschiede des Schalls analysieren die Weibchen, in welcher Richtung sich die potentiellen Partner befinden. Außerdem erkennen sie, ob die Zirpfrequenz richtig ist und es sich um ein Männchen der eigenen Art handelt.
Neurobiologen glaubten bisher, daß zur Analyse dieses Gesangs mindestens 20 Neuronen im Gehirn nötig sind. Mit seiner Kollegin, der Psychologin Barbara Webb, rüstete Lund – damals noch in Edinburgh – den Khepera-Roboter mit Mikrofonen, einer Verzögerungselektronik und einem künstlichen neuronalen Netz aus und zeigte, daß vier Neuronen ausreichen, um den Schall zu orten. “Es ist verblüffend, mit welch geringem Aufwand das Gehirn komplexe Anforderungen bewältigt”, sagt Lund.
In einer Hinsicht sind Ratten und Grillen jedoch im Vorteil: Sie brauchen keine Batterie. Gerade als Hendrik Hautop Lund das letzte Männchen mit seiner Feuerspritze ins Jenseits befördern will, fängt seine Fernbedienung ganz hektisch zu piepsen an, und ein durchgestrichenes Batteriesymbol erscheint auf dem Display. “Glück gehabt”, ruft Lund zu dem finster dreinblickenden Skelett im Fenster des Lego-Hauses hinüber. Und der weiße Plastikgeist scheint unter seiner Maske zurückzugrinsen.
Bernd Müller / Volker Steger / Hendrik Hautop
