Roboter nutzen KI, um Schmerzen zu „spüren“ und sich selbst zu reparieren

Mit einer neuen Entwicklung auf diesem Gebiet sind Roboter ihrem Ziel, mehr wie Lebewesen zu sein, einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapore) haben ein KI-System entwickelt, das es Robotern ermöglicht, Schmerzen zu erkennen und sich selbst zu reparieren. 

Das neu entwickelte System basiert auf KI-fähigen Sensorknoten, die „Schmerz“ verarbeiten und dann darauf reagieren. Dieser Schmerz wird erkannt, wenn Druck durch eine äußere physische Kraft ausgeübt wird. Der andere wichtige Teil des Systems ist die Selbstreparatur. Der Roboter ist in der Lage, diesen Schaden zu reparieren, wenn es sich um eine geringfügige „Verletzung“ handelt, und das alles, ohne auf menschliches Eingreifen angewiesen zu sein.

Die Forschung wurde im August in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht .

Die meisten heutigen Roboter auf der Welt erhalten über ein Netzwerk von Sensoren Informationen über ihre unmittelbare Umgebung. Allerdings verarbeiten diese Sensoren keine Informationen, sondern senden die Informationen an eine zentrale Verarbeitungseinheit. In dieser Zentraleinheit findet das Lernen statt, und das bedeutet, dass aktuelle Roboter über viele Drähte verfügen müssen. Dieses System führt zu längeren Reaktionszeiten. 

Neben längeren Reaktionszeiten sind diese Roboter oft leicht beschädigt und erfordern einen hohen Wartungs- und Reparaturaufwand. 

Das neue System

Bei dem von den Wissenschaftlern entwickelten neuen System wird die KI in das Netzwerk der Sensorknoten eingebettet. Es gibt mehrere kleinere und leistungsschwächere Verarbeitungseinheiten, an die die Sensorknoten angeschlossen sind. Dieser Aufbau ermöglicht das lokale Lernen, was wiederum die Anzahl der benötigten Kabel und die Reaktionszeit reduziert. Konkret ist sie im Vergleich zu herkömmlichen Robotern um das Fünf- bis Zehnfache reduziert.

Das Selbstreparatursystem entsteht durch die Einführung eines selbstheilenden Ionengelmaterials in das System. Dadurch können die Roboter bei Beschädigung mechanische Funktionen ohne die Hilfe von Menschen wiederherstellen. 

Associate Professor Arindam Basu ist Co-Hauptautor der Studie. Er kommt von der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik. 

„Damit Roboter eines Tages mit Menschen zusammenarbeiten können, besteht eine Sorge darin, sicherzustellen, dass sie sicher mit uns interagieren. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt Wege gefunden, Robotern ein Bewusstsein zu verleihen, etwa die Fähigkeit, Schmerzen zu „spüren“, darauf zu reagieren und rauen Einsatzbedingungen standzuhalten. Allerdings stellt die Komplexität der Zusammenstellung der Vielzahl erforderlicher Sensoren und die daraus resultierende Fragilität eines solchen Systems ein großes Hindernis für eine breite Einführung dar.“

Basu, der auch Experte für neuromorphes Computing ist, sagt: „Unsere Arbeit hat die Machbarkeit eines Robotersystems gezeigt, das in der Lage ist, Informationen mit minimalem Verkabelungs- und Schaltkreisaufwand effizient zu verarbeiten.“ Durch die Reduzierung der Anzahl der benötigten elektronischen Komponenten soll unser System erschwinglich und skalierbar werden. Dies wird dazu beitragen, die Einführung einer neuen Generation von Robotern auf dem Markt zu beschleunigen.“ 

Dem Roboter beibringen, Schmerz zu empfinden

Um dem Roboter beizubringen, Schmerzen zu empfinden, verließ sich das Team auf Memtransistoren, die als „gehirnähnliche“ elektronische Geräte fungieren. Diese Geräte verfügen über Gedächtnis und Informationsverarbeitung und fungieren als künstliche Schmerzrezeptoren und Synapsen. 

Die Studie zeigte, dass der Roboter auch nach einer Beschädigung weiterhin auf Druck reagieren konnte. Nach einer „Verletzung“, beispielsweise einem Schnitt, verliert der Roboter seine mechanische Funktion. Dann setzt das selbstheilende Ionengel ein und veranlasst den Roboter, die „Wunde“ zu heilen, indem er sie im Grunde zusammennäht. 

Rohit Abraham John ist Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of Materials Science & Engineering der NTU.

„Die Selbstheilungseigenschaften dieser neuartigen Geräte helfen dem Robotersystem, sich selbst bei Raumtemperatur immer wieder zusammenzufügen, wenn es durch einen Schnitt oder Kratzer ‚verletzt‘ wird“, sagt John. „Dies ahmt die Funktionsweise unseres biologischen Systems nach, ähnlich wie die menschliche Haut nach einem Schnitt von selbst heilt.“ 

„In unseren Tests konnte unser Roboter unbeabsichtigte mechanische Schäden durch kleinere Verletzungen wie Kratzer und Stöße ‚überleben‘ und darauf reagieren, während er weiterhin effektiv arbeitet. Würde ein solches System bei Robotern in realen Umgebungen eingesetzt, könnte es zu Einsparungen bei der Wartung beitragen.“

Laut außerordentlichem Professor Nripan Mathews, Co-Hauptautor von der School of Materials Science & Engineering der NTU, „führen herkömmliche Roboter Aufgaben auf strukturierte, programmierbare Weise aus, aber unsere Roboter können ihre Umgebung wahrnehmen, lernen und ihr Verhalten entsprechend anpassen.“ Die meisten Forscher konzentrieren sich darauf, immer empfindlichere Sensoren herzustellen, konzentrieren sich jedoch nicht auf die Herausforderungen, wie sie Entscheidungen effektiv treffen können. Solche Forschung ist notwendig, damit die nächste Generation von Robotern effektiv mit Menschen interagieren kann.“

„In dieser Arbeit hat unser Team einen Ansatz gewählt, der abseits der ausgetretenen Pfade liegt, indem neue Lernmaterialien, Geräte und Herstellungsmethoden für Roboter angewendet wurden, um die neurobiologischen Funktionen des Menschen nachzuahmen. Während wir uns noch im Prototypenstadium befinden, haben unsere Ergebnisse wichtige Rahmenbedingungen für das Gebiet festgelegt und den Forschern den Weg für die Bewältigung dieser Herausforderungen aufgezeigt. “

Das Forschungsteam wird sich nun an Partner in der Industrie und staatlichen Forschungslabors wenden, um das System weiter voranzutreiben.