Die Hand, die komplexeste biologische Maschine der Menschheit, ist immer noch das anspruchsvollste ungelöste Problem im Bereich der Robotik. Wenn Ingenieure diese Hürde überwinden können, könnten die Roboter, die heute in Laboren entwickelt werden, in Zukunft ein alltäglicher Anblick in Fabrikhallen sein.
Robotikingenieure auf der ganzen Welt arbeiten hart daran, ein bahnbrechendes Problem in den Bereichen künstliche Intelligenz und Maschinenbau zu lösen: wie man eine Roboterhand baut, die wie eine menschliche Hand funktionieren kann. Obwohl humanoide Roboter bereits laufen, heben und balancieren können, ist ihr Mangel an geschickten und einfühlsamen Händen immer noch eines der Haupthindernisse für ihren groß angelegten Einsatz in Fabriken und an verschiedenen Arbeitsplätzen.
Den Forschern zufolge besteht das Ziel nicht nur darin, Robotern ein menschenähnlicheres Aussehen zu verleihen, sondern sie auch mit der Fähigkeit auszustatten, die feinen, komplexen Bewegungen auszuführen, die für die meisten qualifizierten Arbeitskräfte erforderlich sind. Teslas humanoider Roboter Optimus stellt dieses Problem direkt in Frage. Nach Schätzungen von Morgan Stanley könnte der globale Markt für humanoide Roboter bis zum Jahr 2050 einen Wert von bis zu 5 Billionen US-Dollar haben, wenn dieser Schwellenwert überschritten werden kann.
„Damit Roboter wirklich nützlich sind, müssen sie erstaunliche Hände haben“, sagte Elon Musk in einem Interview mit dem Wall Street Journal.
Obwohl es Optimus gelungen ist, auf zwei Beinen zu gehen, sagte Musk auch, dass es viel schwieriger sei, menschenähnliche Hände zu entwerfen als das Gehen selbst.
Ein Forschungsteam am Center for Robotics and Biological Systems der Northwestern University entwirft im Rahmen eines von der Bundesregierung finanzierten Projekts eine hochsensible und flexible Roboterhand. Teamleiter Kevin Lynch wies darauf hin, dass man sich für zehn Jahre das Ziel gesetzt habe, Robotern die Flexibilität zu geben, grundlegende menschliche Aufgaben zu erledigen.
Nehmen Sie zum Beispiel den Prototyp in Lynchs Labor. Die Hand basiert auf einem Modell der britischen Firma Shadow Robot. Mehrere zylindrische Motoren in der Größe von Kaffeedosen treiben mechanische Finger an. An den Fingerspitzen angebrachte Sensoren können Veränderungen der elektrischen Eigenschaften von Flüssigkeiten erfassen, ähnlich denen unter der „Haut“. Wenn ein Finger ein Objekt berührt, wandelt der Sensor diese Änderungen in Echtzeit in „taktile“ Daten um.
Doktoranden trainieren weiterhin die Handkoordination, indem sie einfache Verbindungen für den Roboter arrangieren – etwa Schleifen, das Halten von Blöcken und das Führen kleiner Objekte. Die gesammelten Daten werden verwendet, um die Leistung von Algorithmen für maschinelles Lernen zu verbessern. Lynch sagte, dass zukünftige Versionen mehr Sensoren an den Fingerspitzen und Handflächen hinzufügen müssen, um feine Bewegungen wie „Schreiben mit einem Bleistift“ ausführen zu können.
Darüber hinaus gibt es auch Forschungsteams, die die Fesseln der „humanoiden Form“ durchbrechen. Der von Matei Ciocarlie, einem Professor für Maschinenbau an der Columbia University, entwickelte Vier-Finger-Manipulator kann die Form und das Material von Objekten allein durch Berührung beurteilen und so die fehlende Sicht ausgleichen. Diese Hand kann zerbrechliche Gegenstände wie Papierröhren anheben, kann aber gelegentlich ausrutschen oder fallen.
Boston Dynamics geht einen anderen Weg. Sein experimenteller humanoider Roboter Atlas ist mit dreifingrigen Händen ausgestattet, die sich flexibel in einen „Daumengriff“ oder eine „paddelförmige Handfläche“ verwandeln lassen. Das veröffentlichte Video zeigt, dass Atlas Autozubehör heben, Hanteln balancieren und kleine Gegenstände greifen kann. Projektleiter Alberto Rodriguez sagte, dass dieses Design immer ein Gleichgewicht zwischen Stärke, Geschicklichkeit, Schlankheit und Haltbarkeit anstrebt. „Es reicht nicht aus, nur einen schwachen und ineffizienten Greifer zu konstruieren.“
Es ist erwähnenswert, dass nicht alle Ingenieure „menschenähnliche Hände“ anstreben. Igor Kulakov, Mitbegründer und CEO von MicroFactory aus San Francisco, bevorzugt die Vereinfachung von Industriedesign. Ihr 5.000-Dollar-Roboter verfügt über ein Doppelarmdesign, bei dem eine Hand Spezialwerkzeuge hält und die andere zwei Finger zum Halten von Gegenständen verwendet. Mit dieser Konfiguration können wichtige Fertigungsschritte wie das Schweißen von Leiterplatten, das Anziehen von Schrauben und das Entfernen von Schutzfolien durchgeführt werden, und die Kosten sind viel geringer als bei komplexen humanoiden Robotern.
Trotz einiger Fortschritte steht die Materialwissenschaft immer noch vor hartnäckigen Herausforderungen. Rich Walker, Direktor von Shadow Robot, sagte, dass es mit aktuellen Herstellungsprozessen immer noch schwierig sei, die Grundfunktionen des menschlichen Körpers nachzubilden, wie etwa selbstheilende Haut und selbstschmierende Gelenke, was viele Hindernisse für die Produktentwicklung darstelle.
Der Drang, menschliche Hände nachzuahmen, ist zum Teil auf den zunehmend gravierenden „Arbeitskräftemangel“ in der Fertigungs- und Pflegebranche zurückzuführen. Ed Colgate, Professor für Maschinenbau an der Northwestern University, wies darauf hin, dass die Verbesserung der Geschicklichkeit von Robotern Automatisierungswerkzeuge für kleine und mittlere Unternehmen erschwinglich machen könnte und nicht länger ausschließlich Großunternehmen vorbehalten sein werde. „Es könnte auch völlig neue Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen. Das ist es, was uns zu dieser Forschung motiviert hat.“