01.03.2022

Forscher arbeiten an einer autonomen Evolution von Robotern

Maschinen, die sich paaren und Nachkommen mit ihrer virtuellen DNA produzieren können, könnten uns helfen, Atomanlagen zu säubern, Asteroiden zu erforschen oder sogar ferne Planeten lebensfreundlich zu gestalten - aber könnten sie auch eine Bedrohung darstellen?

 

Roboter haben seit Anfang des 20. Jahrhunderts, als der tschechische Schriftsteller Karel Čapek das Wort zur Beschreibung künstlicher Automaten erstmals verwendete, große Fortschritte gemacht. Einst waren sie weitgehend auf Fabriken beschränkt, heute findet man sie überall, vom Militär über die Medizin bis hin zum Bildungswesen und bei Rettungseinsätzen. Menschen haben sogar Roboter entwickelt, die Kunst schaffen, Bäume pflanzen, Skateboard fahren oder die Tiefen des Ozeans erforschen können. Die Vielfalt der Aufgaben, für die wir eine Maschine entwickeln können, scheint unbegrenzt zu sein.

Was aber, wenn wir nicht genau wissen, was unser Roboter können soll? Vielleicht soll er einen Atomunfall aufklären, bei dem man aus Sicherheitsgründen keine Menschen schicken möchte, einen unkartierten Asteroiden erforschen oder einen fernen Planeten lebensfreundlich machen. Wir könnten Roboter einfach so konstruieren, dass es alle Herausforderungen meistert, die wir für möglich halten, und dann die Daumen drücken, dass es klappt.

 

Es gibt jedoch eine bessere Alternative: Wir könnten uns ein Beispiel an der Evolution nehmen und Roboter entwickeln, die sich an ihre Umgebung anpassen können. Es klingt weit hergeholt, aber genau daran arbeitet Emma Hart von der Edinburgh Napier University in Schottland gemeinsam mit ihren englischen Kollegen von der University of the West of England und der University of York sowie der Vrije Universiteit Amsterdam. Im Rahmen ihres Projektes Autonomous Robot Evolution (ARE) forschen sie daran, Roboter zu entwickeln, die sich an schwierige, dynamische Umgebungen ohne direkte menschliche Aufsicht anpassen und »evolutionär« weiterentwickeln können, indem sie ihre virtuelle DNA weitergeben. Es ist ein Projekt mit großem Potenzial - aber nicht ohne große Herausforderungen und ethische Implikationen.

Für ARE verwenden sie einen künstlichen genetischen Code, um den Körper und das Gehirn eines Roboters zu definieren. Die Evolution findet in einer EvoSphere genannten Einrichtung statt, in der jeder Roboter einen dreistufigen Zyklus durchläuft - Herstellung, Lernen und Testen -, den sie als das »Dreieck des Lebens« bezeichnen. In der ersten Phase werden neue, weiterentwickelte Designs autonom gebaut. Ein 3D-Drucker stellt zunächst ein Kunststoffskelett her. Dann wählt ein automatischer Montagearm die gewünschten Sensoren und Fortbewegungsmittel aus einer Reihe vorgefertigter Komponenten aus und bringt sie an. Schließlich wird ein Raspberry-Pi-Computer hinzugefügt, der als Gehirn fungiert. Er wird mit den Sensoren und Motoren verkabelt, und die Software, die das entwickelte Gehirn darstellt, wird heruntergeladen.

 

Als nächstes kommt die wichtige Lernphase. Bei den meisten Tierarten durchlaufen Neugeborene eine Art Lernphase, um ihre motorische Kontrolle zu verfeinern. Bei den ARE-Robotern ist dies sogar noch dringlicher, da es zu einer Vermehrung zwischen verschiedenen »Arten« kommen kann. Eine Art mit Rädern könnte sich beispielsweise mit einer anderen fortpflanzen, die gelenkige Beine hat, so dass Nachkommen mit beiden Arten der Fortbewegung entstehen. In solchen Situationen ist es unwahrscheinlich, dass das vererbte »Gehirn« den neuen Körper perfekt kontrollieren kann. In der Lernphase wird ein Algorithmus eingesetzt, um das Gehirn in einer kleinen Anzahl von Versuchen in einer vereinfachten Umgebung zu verfeinern. Der Prozess ist vergleichbar mit dem eines Kindes, das in einem Kindergarten neue Fähigkeiten erlernt. Nur die Roboter, die als brauchbar erachtet werden, kommen in die dritte Phase: das Testen.

Derzeit verwenden sie für die Tests ein Modell des Inneren eines Kernreaktors, in dem der Roboter radioaktive Abfälle beseitigen muss. Jeder Roboter wird nach seinem Erfolg bewertet, und diese Ergebnisse werden an einen Computer weitergeleitet. Anhand dieser Punkte wird in einem Auswahlverfahren bestimmt, welche Roboter sich fortpflanzen dürfen. Dann führt eine Software, die die Fortpflanzung nachahmt, DNA-Rekombinationen und Mutationen an den genetischen Bauplänen zweier Elternteile durch, um einen neuen Roboter für die Herstellung zu erzeugen und das Dreieck des Lebens zu vervollständigen. Die Elternroboter können entweder in der Population verbleiben, wo sie an weiteren Reproduktionsvorgängen teilnehmen können, oder in ihre Bestandteile zerlegt und zu neuen Robotern recycelt werden.

 

Indem sie ihre Tests mit echten Robotern statt mit Simulationen durchführen, können sie sehr realitätsgetreu arbeiten. Allerdings dauert das Drucken und Zusammenbauen jeder neuen Maschine je nach Komplexität ihres Gerüsts etwa vier Stunden, was die Geschwindigkeit der Evolution einer Population begrenzt. Um diesen Nachteil auszugleichen, untersuchen sie die Evolution auch in einer parallelen, virtuellen Welt. Dazu erstellen sie nach der Paarung eine digitale Version jedes Roboterbabys in einem Simulator und trainieren und testen sie dann in virtuellen »Kindergärten« und Testgeländen.

Auch wenn diese Umgebungen wahrscheinlich keine völlig exakten Abbilder ihrer realen Gegenstücke sind, ermöglichen sie es doch, innerhalb von Sekunden neue Designs zu entwickeln und zu testen und diejenigen zu identifizieren, die besonders vielversprechend sind.

 

Ihre Genome können dann für die Herstellung von Robotern in der realen Welt priorisiert werden. Darüber hinaus verfügen die Forscher über ein neuartiges Züchtungsverfahren, das die Fortpflanzung zwischen einem physischen Roboter und einem seiner virtuellen Verwandten ermöglicht, so dass sich in der Simulation entdeckte nützliche Eigenschaften schnell in der realen Population verbreiten und dort weiter verfeinert werden können.

Im Prinzip könnte das System, das ARE entwickelt, völlig autonom in einer unzugänglichen Umgebung oder an einem weit entfernten Ort arbeiten. Die potenziellen Möglichkeiten sind groß, aber es besteht auch die Gefahr, dass die Dinge außer Kontrolle geraten und Roboter mit unbeabsichtigtem Verhalten entstehen, die Schäden verursachen oder sogar Menschen verletzen könnten. Deshalb machen sich Hart und ihr Team schon jetzt Gedanken darüber, solange die Technologie noch in der Entwicklung ist.

 

Eine Schutzmaßnahme wäre beispielsweise die Einschränkung der Verfügbarkeit von Materialien, aus denen neue Roboter hergestellt werden können. Man könnte aber auch unerwünschte Verhaltensweisen vorhersehen, indem Evolutionsprozess und die entwickelten Roboter ständig überwacht und diese Informationen dann genutzt werden, um analytische Modelle zur Vorhersage künftiger Probleme zu erstellen. Letztendlich muss gewährleistet werden, dass die Möglichkeit geschaffen wird, den gesamten Prozess sofort abschalten zu können. Die naheliegendste und effektivste Lösung wäre die Verwendung eines zentralisierten Reproduktionssystems mit einem menschlichen Aufseher, der mit einem Notausschalter ausgestattet ist.

 

© Fernando Calvo* für Terra Mystica

Foto: Pixabay, CC0 Creative Commons

 

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