11/16: Artificial Intelligence in Action
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: asfour ∂ 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.