Roboter verwenden KI, um “Schmerz” zu “fühlen” und sich selbst zu reparieren

Roboter sind einen Schritt näher daran, mehr wie lebende Wesen zu sein, dank einer neuen Entwicklung auf dem Gebiet. Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur), haben ein KI-System entwickelt, das es Robotern ermöglicht, Schmerz zu erkennen und sich selbst zu reparieren.

Das neu entwickelte System basiert auf KI-aktiven Sensorknoten, die “Schmerz” verarbeiten und darauf reagieren. Dieser Schmerz wird erkannt, wenn ein äußerer physischer Druck auftritt. Der andere wichtige Teil des Systems ist die Selbstreparatur. Der Roboter kann den Schaden reparieren, wenn es sich um eine leichte “Verletzung” handelt, ohne dass menschliche Intervention erforderlich ist.

Die Forschung wurde im August in der Zeitschrift Nature Communications.

Die meisten heutigen Roboter erhalten Informationen über ihre unmittelbare Umgebung durch ein Netzwerk von Sensoren. Diese Sensoren verarbeiten jedoch keine Informationen, sondern senden sie an eine zentrale Verarbeitungseinheit. Diese zentrale Verarbeitungseinheit ist der Ort, an dem das Lernen stattfindet, und es bedeutet, dass heutige Roboter viele Kabel benötigen. Dieses System resultiert in längeren Reaktionszeiten.

Außerdem sind diese Roboter oft leicht beschädigt und benötigen viel Wartung und Reparatur.

Das neue System

Im von den Wissenschaftlern entwickelten neuen System ist die KI in das Netzwerk von Sensorknoten eingebettet. Es gibt mehrere kleinere und weniger leistungsfähige Verarbeitungseinheiten, mit denen die Sensorknoten verbunden sind. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass das Lernen lokal stattfindet, was wiederum die Anzahl der benötigten Kabel und die Reaktionszeit reduziert. Insbesondere wird die Reaktionszeit um das Fünf- bis Zehnfache im Vergleich zu herkömmlichen Robotern reduziert.

Das Selbstreparatursystem resultiert aus der Einführung eines selbstheilenden Ionengels in das System. Dies ermöglicht es den Robotern, mechanische Funktionen wiederherzustellen, wenn sie beschädigt sind, ohne dass menschliche Hilfe erforderlich ist.

Associate Professor Arindam Basu ist Co-Autor der Studie. Er kommt von der School of Electrical & Electronic Engineering.

“Damit Roboter eines Tages mit Menschen zusammenarbeiten können, ist eine der Bedenken, wie man sicherstellen kann, dass sie sicher mit uns interagieren. Deshalb suchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten, um Robotern ein Gefühl von Bewusstsein zu vermitteln, wie z.B. das ‘Fühlen’ von Schmerz, um darauf zu reagieren und harten Betriebsbedingungen standzuhalten. Allerdings ist die Komplexität der Zusammenstellung der Vielzahl von Sensoren, die erforderlich sind, und die resultierende Fragilität eines solchen Systems ein großes Hindernis für eine weitverbreitete Verbreitung.”

Laut Basu, der auch ein Experte für neuromorphe Rechnertechnik ist, “hat unsere Arbeit die Machbarkeit eines robotischen Systems demonstriert, das in der Lage ist, Informationen effizient mit minimaler Verkabelung und Schaltung zu verarbeiten. Durch die Reduzierung der Anzahl der erforderlichen elektronischen Komponenten sollte unser System erschwinglich und skalierbar werden. Dies wird dazu beitragen, die Verbreitung einer neuen Generation von Robotern auf dem Markt zu beschleunigen.”

Dem Roboter beibringen, Schmerz zu “fühlen”

Um dem Roboter beizubringen, wie man Schmerz “fühlt”, verließ sich das Team auf Memtransistoren, die als “hirnähnliche” elektronische Geräte fungieren. Diese Geräte sind in der Lage, Gedächtnis und Informationsverarbeitung zu haben und fungieren als künstliche Schmerzrezeptoren und Synapsen.

Die Studie demonstrierte, wie der Roboter auch nach einer “Verletzung” wie einem Schnitt auf Druck reagieren konnte. Nach einer “Verletzung” verliert der Roboter die mechanische Funktion. Dann kommt das selbstheilende Ionengel zum Einsatz und verursacht, dass der Roboter die “Wunde” heilt, indem es sie im Wesentlichen zusammenfügt.

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

“Die selbstheilenden Eigenschaften dieser neuartigen Geräte helfen dem robotischen System, sich wiederholt selbst zusammenzufügen, wenn es ‘verletzt’ wird, z.B. durch einen Schnitt oder Kratzer, sogar bei Raumtemperatur”, sagt John. “Dies ahmt die Funktionsweise unseres biologischen Systems nach, ähnlich wie die Art und Weise, wie die menschliche Haut nach einem Schnitt von selbst heilt.”

“In unseren Tests kann unser Roboter ‘überleben’ und auf unabsichtliche mechanische Schäden wie Kratzer und Stöße reagieren, während er weiterhin effektiv arbeitet. Wenn ein solches System in realen Umgebungen mit Robotern verwendet würde, könnte es zu Einsparungen bei der Wartung beitragen.”

Laut Associate Professor Nripan Mathews, der Co-Autor der Studie ist und von der School of Materials Science & Engineering an der NTU kommt, “führen herkömmliche Roboter Aufgaben in einer strukturierten, programmierbaren Weise aus, unsere jedoch können ihre Umgebung wahrnehmen, lernen und ihr Verhalten entsprechend anpassen. Die meisten Forscher konzentrieren sich darauf, immer empfindlichere Sensoren zu entwickeln, aber sie konzentrieren sich nicht auf die Herausforderungen, wie sie effektiv Entscheidungen treffen können. Eine solche Forschung ist notwendig, damit die nächste Generation von Robotern effektiv mit Menschen interagieren kann.”

“In dieser Arbeit hat unser Team einen unkonventionellen Ansatz verfolgt, indem es neue Lernmaterialien, Geräte und Fertigungsmethoden für Roboter verwendet, um menschliche neurobiologische Funktionen nachzuahmen. Obwohl unser System noch im Prototypenstadium ist, haben unsere Ergebnisse wichtige Rahmenbedingungen für das Gebiet geschaffen und zeigen den Weg für Forscher auf, um diese Herausforderungen anzugehen.”

Das Forschungsteam wird sich nun an Partner in der Industrie und in Regierungs-Forschungslabors wenden, um das System weiter zu entwickeln.