Industrie 4.0 Was Roboter von Ameisen lernen

Von Katja Hirnickel und Claudia Treml – Lesedauer: 4 Minuten  

Im Forschungslabor „Swarm Lab“ der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) Mosbach setzen Prof. Dr. Alexander Auch und Prof. Dr. Christian Kuhn Miniaturroboter, sogenannte Kilobots, in Forschung und Lehre ein, ergründen die Intelligenz von Schwärmen. Für die Industrie 4.0 ergeben sich daraus technische Möglichkeiten und konkrete Anwendungsfälle.

Kilobots Foto: DHBW Mosbach

Professor Dr. Auch, was ist ein Kilobot?

Auch: Der Kilobot ist ein Kleinstroboter mit eingeschränkten Funktionen, der sich mithilfe von Vibrationsmotoren langsam fortbewegt und sich dabei nach links und rechts dreht. Mit seinen Sensoren nimmt der kleine Automat relativ begrenzt seine Umgebung wahr. Jeder Kilobot erhält eine Identität und wird einer bestimmten Einheit zugeordnet. Sobald sich die Miniroboter nahe genug kommen, übermitteln sie sich durch Infrarotsender und -empfänger an ihrer Unterseite, wer sie sind, zu welcher Einheit sie gehören und welche Nachbarn sie „sehen“. Dieses Infrarotsignal wird vom Boden reflektiert, so dass es sich relativ breit streut. Auf diese Weise empfängt jeder Kilobot auch die Information, wie viele Nachbarn seine Nachbarn wahrnehmen und kann abschätzen, ob er und seine Nachbarn sich in der Peripherie oder im Zentrum des Schwarms befinden. Über die Signalstärke schätzen die Bots die Distanz zu den anderen ab, wird die Distanz jedoch zu groß, verlieren sie den Kontakt zueinander. Entwickelt wurden diese einfachen und mobilen Einheiten übrigens im Jahr 2011 von Wissenschaftlern an der Harvard University.

Wie viel Technik steckt in dieser einfachen und mobilen Einheit?

Auch: Jedes Smartphone hat wesentlich mehr Rechenleistung als ein einzelner Kilobot. Er ist eine einfache CPU (Central Processing Unit, (Haupt-) Prozessor des Computers), die mit acht Megahertz läuft, dazu 32 Kilobyte Flash-RAM und zwei Kilobyte Hauptspeicher besitzt. Damit funktioniert die gesamte Programmlogik. Um die begrenzten Funktionen des Kilobots zu erweitern und ihm damit ein komplexeres Verhalten zu ermöglichen, werden wir noch in diesem Jahr das Hardware-Design und die Sensorik überarbeiten.

Warum beschäftigen Sie sich mit den Miniautomaten?

Auch: Das Verhalten von Schwärmen ist ein Phänomen, das sich ausschließlich aus der Wechselwirkung von benachbarten Individuen ergibt. Ameisenkolonien beispielsweise suchen in Schwärmen große Bereiche nach Nahrung ab oder schließen sich zu Brücken und Ketten zusammen, um Hindernisse zu umgehen oder zu überqueren. Unsere Absicht ist die Erforschung dieser Schwarmintelligenz. Dafür eigenen sich die Kilobots gut, da sie sich kostengünstig in großen Mengen herstellen lassen. Mit ihnen simulieren wir ganz unterschiedliche Szenarien.

Wie sieht so eine Simulation aus?

Auch: Aktuell beschäftigen wir uns mit dem Räuber-Beute-Szenario. Dafür haben wir die Kilobots in zwei Gruppen eingeteilt: Zwei Kilobots sind Wölfe, acht Stück sind Schafe. Die Schafe müssen zunächst eine Art Schwarm bilden, sie müssen sich also finden. Dazu laufen sie und drehen sich, bis sie in ihrer Umgebung mindestens drei andere Kilobots „sehen“. Danach bleiben sie stehen und „grasen“ friedlich. Das Infrarotsignal leuchtet weiß. Ein weiterer Kilobot nähert sich dem Schwarm. Er übermittelt seine Identität und vor allem, ob er Wolf oder Schaf ist. Ist er ein Wolf, merken das die Schafe und versuchen auszuweichen. Das Infrarotsignal zeigt nun pink, das für den Panikmodus steht. Weil die Kilobots mit ihrer beschränkten Sensorik die Richtung des Signals nicht orten können, zeigen sie ein zufälliges Verhalten: Sie laufen in eine beliebige Richtung, messen dabei ständig die Distanz zum Räuber. Wird die Distanz kleiner, wissen sie, dass sie in die falsche Richtung laufen und dann erfolgt eine Drehung. Auf diese Art versuchen sie zu entkommen.

Welche Nutzen ziehen Sie aus der Simulation solcher Szenarien?

Kuhn: Die Verhaltensweisen der Kilobots sind auch für andere Anwendungsbereiche relevant: Sie lassen sich auf Bots übertragen (Bot, von englisch: robot; deutsch: Roboter). Der Bot ist eine Software, die nahezu selbstgesteuert Aufgaben übernimmt und nicht auf die Interaktion mit Menschen angewiesen ist. Ein Chat – das Frage-Antwort-Verhalten von Akteuren im Internet – kann beispielsweise über einen Bot als „Experten“ sinnvoll ergänzt werden. Diese nahezu selbständig laufenden Computerprogramme sind vielseitig einsetzbar, konkret für produzierende Unternehmen, die in Zeiten der Industrie 4.0 zunehmend gefordert sind, Produkte individuell zu fertigen und dies durch autarke, selbständige Fertigungseinheiten durchzuführen.

Betrachten wir hierbei die Intralogistik, also den Waren- und Materialfluss zwischen Fertigungshalle und Lager. Wegen den steigenden Transportbewegungen, die zusätzlich immer flexibler sein müssen, stoßen zentrale Steuerungen aufgrund ihrer Starrheit schnell an ihre Grenzen. Der Einsatz autarker Bots kann hier sehr wertvoll sein. Der mobile Roboter übernimmt den Materialtransport und achtet darauf, dass er nirgendwo anstößt. Ist ein Werkstück zu groß, sammeln sich die Bots und führen den Transportauftrag gemeinsam aus – und das selbständig ohne zentrale Steuerung. So funktioniert ein Materialfluss für die industrielle Fertigung, der sich selbst steuert, organisiert und optimiert. Bis dahin ist es zwar noch ein weiter Weg, aber in unseren Forschungen, die wir gemeinsam mit unseren Studierenden durchführen, simulieren wir die ersten Basisprozesse.

Wie geht es mit dem Swarm Lab weiter?

Kuhn: Die Kilobots und das Swarm Lab sind eingebettet in unsere forschungsintegrierte Lehre. Schon heute haben wir mit unserem „Living Lab“ eine digitale Fabrik, in der Lehre und Forschung zusammenfließen, um realitätsnah Fertigungsprozesse zu simulieren. Ich kann mir vorstellen, dass wir hier unseren Materialfluss mit schwarmbasierten Algorithmen verbessern. Kilobots beziehungsweise deren Nachfolger transportieren dann Werkstücke zwischen kollaborativen Robotern. Einzelkomponenten als demonstrationsfähige Versionen könnten möglicherweise in drei bis fünf Jahren entwickelt werden.

Erforschung von Schwarmintelligenz mit Kilobots, Video: DHBW Mosbach

 

Die Forschungsarbeit aus dem „Swarm Lab“ stellt die DHBW vom 11. bis 15. Juni 2018 auf der Cebit in Hannover, Halle 27, Stand H51 vor.

 

Prof. Dr.-Ing. Christian Kuhn

Wissenschaftlicher Leiter Master Integrated Engineering,
DHBW CAS

Studiengangsleiter Elektrotechnik, DHBW Mosbach

 

Prof. Dr. Alexander Auch

Studiengangsleiter Angewandte Informatik,
DHBW Mosbach

 

Das Interview führten Katja Hirnickel für die Duale Hochschule Baden-Württemberg Mosbach und Claudia Treml für das Center for Advanced Studies der DHBW.

Das DHBW CAS bietet duale und berufsbegleitende Masterstudiengänge in den Fachbereichen Wirtschaft, Technik und Sozialwesen sowie weitere Möglichkeiten zur beruflichen Weiterbildung.