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11/16: Artificial Intelligence in Action

At KIT humanoid robots are developed to be tomorrow’s kitchen aids

The interview was conducted in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

 

Ihr Entwickler bezeichnet sie als „Informatik zum Anfassen“ – gemeint sind humanoide Robotertechnologien. Sie sehen menschenähnlich aus, haben Arme und Beine und werden am Institut für Anthropomatik und Robotik des KIT unter der Leitung von Professor Tamim Asfour konstruiert und erforscht. In Ihrer eigenen Lehrküche lernen die Roboter Regale einzuräumen, Speisen und Getränke zuzubereiten und andere Handgriffe, die den Alltag der Menschen zukünftig vereinfachen könnten. Denn die Haushaltsroboter der ARMAR-Serie können inzwischen nicht nur Objekte erkennen, greifen und transportieren, sie lernen auch, Bewegungen direkt vom Menschen zu übernehmen. Der Informatiker Tamim Asfour vom Lehrstuhl für Hochperformante Humanoide Technologien (H²T) erklärt im Interview mit lookKIT, was die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von humanoiden Robotern sind, wie das Lernen bei Ihnen funktioniert und wie unsere Gesellschaft durch sie verändert werden könnte.

lookKIT: Welchen Entwicklungsschritt gab es zwischen  den  Robotern  ARMAR-III  und  ARMAR-IV?  Und:  Können  Sie  uns  schon  etwas  über  die  Entwicklung  des  ARMAR-V  verraten?

Professor Tamim Asfour: „ARMAR-IV hat zwei Beine  zur  Fortbewegung  statt  Rollen,  bei  seiner  Konstruktion haben wir uns zum ersten Mal mit dem  Thema  Balancieren  beschäftigt.  Zudem  haben  wir  die  Systeme  robuster  und  performanter  gemacht; denn unser Ziel sind Systeme, die man rund um die Uhr einsetzen kann, damit dieser Roboter  eines  Tages  bei  uns  zu  Hause  oder  in  der  Produktion  Aufgaben  verrichten  kann.  ARMAR-IV  hat  insgesamt  63  Bewegungsachsen  und  damit  im  Vergleich  zu  ARMAR-III  20  Bewegungsachsen  mehr.  So  ist  er  dank  einer  Drehmomentenregelung in allen Gelenken leichter zu führen, wenn ihm demonstriert wird, was er lernen soll. Noch  wichtiger  ist,  dass  wir  dank  seines  Sensorsystems  Störungen  detektieren  können,  die  auf  den Körper einwirken. Damit verbunden arbeiten wir an Technologien, sogenannten tragbaren Robotersystemen, die das Fallen bei Menschen mitphysischen  Limitationen  verhindern  können.  Ziel  ist, einen Roboteranzug zu bauen, der beim Tragen  von  schweren  Objekten  unterstützt  oder  auch  Menschen  mit  motorischen  Einschränkungen  helfen  kann,  wieder  aktiv  am  Leben  teilzunehmen. Das hat dazu geführt, dass der ARMAR-IV ein anziehbarer Roboter sein wird.“

lookKIT:   Welche   Bedeutung   hat   Ihr   Forschungsgebiet  Ihrer  Meinung  nach  für  die Gesellschaft?

Tamim  Asfour:  „Die  Robotik  ist  eine  Schlüsseltechnologie  zur  Lösung  vieler  gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Herausforderungen: Die potenziellen  Anwendungsgebiete  für  Roboter  reichen  vom  Einsatz  als  einfache  Haushaltsroboter,  Assistenz- und Serviceroboter in menschzentrierten  Umgebungen  oder  in  der  Logistik  und  Produktion bis hin zu humanoiden und teil-humanoiden  Robotern  als  Helfer  im  Haushalt  oder  zum  Katastropheneinsatz   in   Gefahrenumgebungen   und  in  der  Raumfahrt.  Weitere  Formen  sind  selbstfahrende  Autos,  fliegende  Roboter  für  Erkundungs-   und   Überwachungsaufgaben   oder  Warenlieferungen bis hin zu Entertainment- und Sozialrobotern    als    Robotertherapeuten    und    Nanoroboter   für   den   klinischen   Einsatz   im  menschlichen Körper. Die Einführung vielseitiger, sicherer  und  intelligenter  humanoider  Roboter wird zu einer weiteren Flexibilisierung und Effizienzsteigerung in der Produktion führen. Vielseitige humanoide Roboter, die eine Vielzahl von Aufgaben durchführen können, sich an unterschiedliche Situationen und Szenarien anpassen und intuitiv programmiert werden können, werden die Gestaltung  zukünftiger  Fabriken  entscheidend beeinflussen. In solchen Fabriken werden Mensch und  Roboter  Seite  an  Seite  arbeiten  und  miteinander  kollaborieren,  um  die  Arbeitsbedingungen für den Menschen zu verbessern und gleichzeitig die Effizienz zu steigern. Solche Roboterassistenten, auch Co-worker genannt, werden weitere Abläufe in der Industrie automatisieren und verbessern.  Aktuell  erforschen  wir  humanoide Roboter, die man anziehen kann, um motorische und  sensorische  Fertigkeiten  des  Menschen  zu  augmentieren.  Diese  Roboteranzüge  werden  als  Kraftunterstützer  bei  körperlichen  Arbeiten  zum  längeren Erhalt der Arbeitsfähigkeit und zur Vorbeugung  berufsbedingter  Schäden  am  Muskel-Skelett-System   aufgrund   von   Fehlbelastungen   beitragen.  Individuell  an  Menschen  und  deren  Bedürfnissen ausgerichtete, personalisierte Roboteranzüge werden einen entscheidenden Beitrag zur  Augmentierung  menschlicher  Fertigkeiten  in  privaten Umgebungen, zur Entlastung von Arbeitern der manuellen Montage in Produktionsanlagen,  und  zur  Unterstützung  eines  länger  selbstbestimmten Lebens im Alter leisten. Sie werden in der  Zukunft  wesentlicher  Bestandteil  moderner  personalisierter  Rehabilitationstherapien  bei  Verletzungen  des  Bewegungsapparats  sowie  integraler  Bestandteil  der  Ausrüstung  von  Rettungsdiensten bei Katastrophenszenarien sein.“

lookKIT: Wie ist es möglich, dass ein Roboter lernen kann?

Tamim  Asfour: „Humanoide  Roboter  sollen  eines Tages im Haushalt oder in der Fabrik der Zukunft unter anderem Objekte greifen und manipulieren.  Die  Frage  ist  hier  also,  wie  wir  diesen  Robotern beibringen können, Objekte zu greifen und zu manipulieren, die sie vorher noch nie gesehen  haben.  Roboter  in  der  Industrie  werden  über Programmiersprachen programmiert. Wenn Sie  jedoch  einen  ARMAR-Roboter  zu  Hause  haben, dann wollen Sie wahrscheinlich keine Roboterprogrammiersprache lernen, um den Roboter zu  verwenden.  Deshalb  setzen  wir  hier  auf  das  Paradigma  des  ‚Programmierens  durch  Vormachen‘. Das heißt, der Roboter soll Vorführungen des Menschen beobachten, wesentliche Aspekte der menschlichen Demonstration verstehen und in einer generalisierten Form repräsentieren, die

eine  Adaption  an  neue  Situationen  erlaubt.  Unser Ziel ist es, ein Bewegungsalphabet für die Roboterprogrammierung   zu   entwickeln,   dessen   Elemente  gelernte  Fertigkeiten  darstellen,  die  Bindungen von Aktionen und Objekten beschreiben  und  mittels  semantischer  und  syntaktischer  Regeln zu komplexen Handlungen zusammengesetzt  werden  können.  Darauf  aufbauend  lernt  der Roboter durch die Exploration seiner Umgebung die Zusammenhänge zwischen seinen Aktionen  und  der  wahrgenommenen  Welt.  Hierzu  werden  verschiedene  Lernverfahren  eingesetzt,  die  vom  rein  explorativen  Lernen  bis  hin  zu  Teaching  oder  Coaching  durch  den  Menschen  reichen.  Im  Verlauf  dieses  Prozesses  ‚entdeckt‘  der  Roboter  kausale  Zusammenhänge,  wie  zum  Beispiel,  dass  Objekte  ihre  Eigenschaften  durch  seine  Aktionen  verändern,  etwa  dass  eine  volle  Tasse durch die Aktion des Umkippens leer sein wird.  Das  Erkennen  und  wiederholte  Ausführen  solcher Ereignisketten zeigt dann an, dass der Roboter  Sinnzusammenhänge  begriffen  hat,  was  einen ersten Schritt in Richtung künstlicher Intelligenz darstellt.“

lookKIT:  ARMAR  gleicht  äußerlich  zunehmend  dem  Menschen.  Was  fehlt  ihm  jetzt  noch zum Mensch sein?

Tamim Asfour: „Viel! Von einer menschenähnlichen Intelligenz sind Roboter noch Dekaden entfernt.  Natürlich  lassen  wir  uns  in  der  humanoiden  Robotik  sehr  von  der  Biologie  inspirieren,  speziell vom Menschen. Der menschliche Körper ist die beste Morphologie für Aufgaben in Umgebungen,  die  für  Menschen  geschaffen  wurden.  Einrichtungsgegenstände  oder  Werkzeuge  wurden  alle  für  den  menschlichen  Körper  und  die menschliche Hand optimiert und wir wollen für  den  Einzug  der  Roboter  in  den  Alltag  nicht unsere Umgebungen ändern müssen. Die menschenähnliche  Form  ist  auch  für  die  Interaktion  zwischen Mensch und Roboter wichtig, weil wir so  die  Bewegungen  des  Roboters  besser  einschätzen können. Allerdings ist die Wissenschaft auch  hier  noch  weit  davon  entfernt,  beispielsweise  die  vielseitigen  Fertigkeiten  und  die  Leistungsfähigkeit einer menschlichen Hand mit Roboterhänden  nachahmen  zu  können.  Dass  ein  Roboter ein Gesicht mit Mund und Nase hat, ist hingegen  nicht  notwendig.  Es  gibt  sogar  Studien,  die  zeigen,  dass  die  Akzeptanz  von  diesen  Robotern abnimmt, wenn sie Menschen zu ähnlich werden und ich persönlich verfolge auf keinen  Fall  das  Ziel,  eine  exakte  Kopie  des  Menschen zu erschaffen.“

lookKIT: Das Arbeitsgebiet der humanoiden Robotik ist ein stark interdisziplinär geprägtes Fach, warum ist das so?

Tamim  Asfour: „Die  Biologie  oder  besser  gesagt  die  Natur  liefert  uns  exzellente  Beispiele,  wie  man  hochperformante  Systeme  baut.  Deshalb liegt es auf der Hand, dass man schaut, wie der  menschliche  Körper  aufgebaut  ist,  wie  die  biologischen  Gelenke  konstruiert  sind  und  wie  man diese für einen humanoiden Roboter nachbilden kann. So habe ich mich schon zu Beginn meiner   Doktorarbeit   mit   der   Anatomie   des   menschlichen   Körpers   beschäftigt   und   den   menschlichen  Arm  modelliert,  um  humanoide  Roboterarme zu entwickeln. Aber die Robotik ist noch viel mehr als das. Wenn man sich mit der Robotik  in  allen  Facetten  beschäftigen  will,  um  Roboter zu bauen, sie zu programmieren und intelligentes  Verhalten  zu  realisieren,  dann  muss  man sich unter anderem mit Themen der Mechano-Informatik  als  synergetische  Integration  von  Methoden   der   Mechatronik,   Informatik   und   künstlichen  Intelligenz  sowie  mit  Themen  der  Biomechanik,   der   Sportwissenschaften,   der   Neurowissenschaften  und  der  Kognitionswissenschaften  beschäftigen.    Wenn  ein  autonomer  Roboter  rund  um  die  Uhr  arbeiten  soll,  braucht er Energie, deshalb muss man sich auch mit der Frage der Energieversorgung beschäftigten,  etwa  welche  Materialien  zu  einer  leichten  Bauweise  beitragen  und  wie  energieeffiziente  Bewegungen realisiert werden können.“

lookKIT: Was sind die größten Herausforderungen  bei  der  Entwicklung  von  humanoiden Robotern?

Tamim  Asfour: „Die  Entwicklung  humanoider  Roboter  ist  voller  Herausforderungen,  die  von  der Mechanik bis hin zur Realisierung kognitiver Fähigkeiten  reichen.  Die  Beherrschbarkeit  der  Komplexität dieser Systeme aus mechano-informatischer  Sicht  ist  eine  Herausforderung,  aber  die  Lernfähigkeit  ist  mit  Sicherheit  die  größte  Herausforderung  bei  der  Realisierung  wahrhaft  intelligenter,  humanoider  Roboter.  Das  bezieht  sich  auf  das  Lernen  multimodaler  Objektrepräsentationen, die für das Greifen und Manipulieren  von  Objekten  notwendig  sind.  Genauso  wichtig  ist  das  Lernen  von  motorischen  Fertigkeiten, die sich an neue Situationen adaptieren und  zu  komplexen  Handlungen  zusammensetzen lassen. Die Frage wie visuelle und haptische Wahrnehmung und Aktionsgenerierung so miteinander harmonieren, um beispielsweise a priori unbekannte  Objekte  erfolgreich  zu  greifen,  ist noch offen. Beim Programmieren durch Vormachen  muss  sichergestellt  werden,  dass  auch  die Randbedingungen der Aufgabe erkannt, erlernt und berücksichtigt werden. So ist der Kontakt mit einer zu wischenden Oberfläche bei der Aktion  „Wischen“  oder  die  räumliche  Relation  zwischen Flasche und Tasse bei der Aktion „Einschenken“  sehr  wichtig  für  die  Generalisierung  und  erfolgreiche  Ausführung  dieser  Aktionen.  Auch  ist  es  entscheidend,  die  Qualität  von  gelerntem Wissen zu quantifizieren, also wie viele und welche Beispiele zum Lernen von generalisierten Repräsentationen von Handlungswissen notwendig  sind  und  ob  und  wie  negative  Beispiele  das  Lernen  nicht  beschleunigen  können, damit zukünftige Roboter wie ein Mensch auch aus  ihren  eigenen  Fehlern  lernen  können.  Eine  weitere Herausforderung ist die Realisierung von inhärent sicheren Robotern, die bei einem Kontakt mit dem Menschen schlussfolgern können, ob es sich dabei um eine intentionelle Interaktion oder ungewollte Kollision handelt.“

lookKIT: Wäre es möglich, dem Roboter beizubringen, bestimmte Aufgaben zu verweigern?

Tamim Asfour: „Auf jeden Fall, moderne Fahrerassistenzsysteme  setzen  sich  bereits  heute  über  den  Befehl  des  Fahrers  hinweg,  um  eine  drohende Kollision zu vermeiden. Genau dasselbe  macht  ARMAR.  Wenn  Roboter  in  menschzentrierten Umgebungen wie unseren Haushalten Einzug finden sollen, und das ist unser Ziel, dann  werden  zwischen  Mensch  und  Roboter  Umgangsformen erforderlich sein, die das Befolgen und Verweigern von Befehlen regeln, ähnlich wie das auch in zwischenmenschlichen Beziehungen der Fall ist. Zu nennen sind an dieser Stelle die drei Gesetze der Robotik, die besagen, dass ein Roboter niemanden verletzen darf und den von einem Menschen gegebenen Befehlen gehorchen  muss,  solange  diese  Befehle  nicht  zur  Verletzung  des  Menschen  führen.  Außerdem darf ein Roboter sich selbst nicht schaden. Das Problem ist nicht, wie man diese und andere Gesetze  formal  mit  Methoden  der  Informatik  implementiert,  sondern,  dass  dem  Roboter  das  Verständnis über viele für den Menschen offensichtliche  Sachverhalte  fehlt.  Etwa,  was  es  bedeutet eine Person zu verletzen, zu nerven oder zu  beleidigen.  Hätten  wir  Modelle,  die  diese  Konzepte beschreiben, könnten wir sie problemlos  mit  unserem  Informatikwissen  in  Robotern  realisieren.“

lookKIT:  Was  macht  Ihre  persönliche  Faszination für Ihr Forschungsfeld aus?

Tamim  Asfour: „Es  geht  mir  darum,  die  Lebensqualität der Menschen zu verbessern. Mein Ziel ist, Maschinen für Menschen zu bauen und dabei mehr über den Menschen zu erfahren. Es fasziniert  mich  immer  wieder,  dass  wir  in  der  Lage sind, mit unserem Arm eine Bierkiste mühelos  hochzuheben.  Und  es  deprimiert  mich, dass  wir  immer  noch  keinen  technischen  Arm  mit den gleichen Abmessungen bauen können, der genau das machen kann. Die Frage für mich ist, warum der menschliche Körper so leistungsfähig und hochperformant ist und was können wir daraus lernen, um Systeme zu bauen, die so vielseitig und performant sind wie der menschliche Körper. Bei der Konstruktion von Roboteranzügen  etwa  ist  eines  der  großen  Probleme, Gelenke  zu  konstruieren,  die  sich  ständig  an  den menschlichen Gelenken ausrichten können. Die Art und Weise wie die Gelenke im maschinellen  Körper  realisiert  sind,  wo  die  Muskeln  ansetzen,  wie  sie  aktiviert  werden,  um  Bewegungen zu realisieren, das ist es, was mich interessiert. Und natürlich fasziniert mich das übergeordnete  Ziel,  mehr  über  die  menschliche  Intelligenz  zu  verstehen  und  diese  in  technische  Systeme einzupflanzen.“

lookKIT:  Sie  arbeiten  unter  anderem  mit  dem Institut für Technikfolgeschätzung und Systemanalyse (ITAS) zusammen. Dabei spielt die  Frage  nach  einem  möglichen  Arbeitsplatzabbau durch den Fortschritt in der Robotik  eine  Rolle.  Wie  schätzen  Sie  dieses  Problem ein?

Tamim Asfour: „Die Kooperation mit dem ITAS ist ein wichtiger Aspekt, wenn man solche Systeme  entwickelt.  Die  Diskussion  über  die  Robotik  als Jobkiller gibt es schon lange, aber wir hatten eigentlich mit jeder Einführung einer neuartigen Technologie,  die  zu  mehr  Automatisierung  geführt hat, Arbeitsplatzverluste. Man muss jedoch auch  sehen,  dass  neue  Arbeitsplätze  durch  die Technologien  entstanden  sind.  Mein  Lieblingsbeispiel dazu sind Telefonzentralen. Früher arbeiteten viele Menschen in Telefonzentralen, damit Menschen   miteinander   telefonieren   konnten.  

Das gibt es nicht mehr – jetzt haben wir Smartphones.  Aber  wie  viele  Leute  arbeiten  nun  in Kundencentern von Internet- und Mobiltelefonprovidern? Viel mehr als damals in Telefonzentralen. Jedoch dauert es immer eine gewisse Zeit bis neue  Arbeitsplätze  durch  neue  Technologien entstehen.  Den  Einschnitt  von  der  Einführung neuer Technologien bis zur Entstehung neuer Arbeitsplätze  müssen  wir  überbrücken,  beispielsweise,  indem  wir  schon  jetzt  darüber  nachdenken,  welche  Arbeitsplätze  durch  die  Robotik  in der Zukunft wegfallen werden und welche neuen  Arbeitsplätze  entstehen  werden.  Wenn  sich  Gesellschaft  und  Wirtschaft  darauf  einstellen,  dann  werden  wir  die  Übergangsphase  neu  gestalten  und  die  Wirkung  der  Lücke  verringern, wenn nicht vollständig beseitigen. Das erfordert natürlich ein Umdenken in der Politik. Ehrlich gesagt,  ich  kann  nicht  nachvollziehen,  dass  wir über  die  Notwendigkeit  zunehmender  Digitalisierung reden, in Kleinunternehmen, in Großunternehmen,  in  der  privaten  Umgebung  und  wir diskutieren  gleichzeitig  noch, ob Informatik ein Pflichtfach an den Schulen sein soll. Wir müssen anfangen,  darüber  nachzudenken,  wie  Technologie,  speziell  die  Robotik,  die  Welt  verändern wird. Nicht nur in der Art, wie Menschen arbeiten  werden,  sondern  auch  wie  sich  die  Bildung  verändern wird.“

Das Gespräch führte Heike Marburger

Kontakt: asfour∂kit.edu

Excerpt in English

 

Artificial Intelligence in Action

At KIT humanoid robots are developed to be tomorrow’s kitchen aids

Translation: Maike Schröder

Their developer calls humanoid robot technologies “informatics you can touch.” Humanoid robots resemble human beings, have arms and legs, and are constructed and studied by the group of Professor Tamim Asfour at KIT’s Institute for Anthropomatics and Robotics. In their training kitchen, the robots learn to place items on shelves, to prepare dishes and drinks, and to perform other tasks that might facilitate the everyday life of human flatmates in the future. Meanwhile, the household robots of the ARMAR family have not only learned to recognize, grab, and transport objects, they are also training to understand the movements of human beings, from which they can derive their own routines.

In the LookKIT interview, engineer and computer scientist Tamim Asfour explains why robotics might be a key technology to solving many challenges in society and industry. Potential applications of robots extend from simple household robots to assistant and service robots in human-centered environments or in logistics and production, to humanoid and partly humanoid robots that are used as kitchen aids or for disaster management in hazardous environments and in space.

Asked  what  fascinates  him  about  his  research,  Asfour  answers  that  he  wants  to  build  machines to improve the quality of life of human beings. And he wants to better understand human intelligence and implant it into technical systems.

Contact: asfourSjw9∂kit edu

Interview aus der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins LooKIT, Edition 2/2016, Schwerpunkt Mobilität  

Interview within the current edition of the science magazine LooKIT on mobility at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 2/2016