Flashmob der "Kilobots": Roboter buchstabieren im Schwarm

Tausend kleine Roboter bewegen sich vibrierend über eine Fläche und bilden allmählich den Buchstaben K oder einen Stern. Dabei ist ihr Weg nicht einprogrammiert, stattdessen folgen sie einfachen Regeln. Dieses Kunststück ist Wissenschaftlern der Harvard-Universität in Cambridge im US-Bundesstaat Massachusetts gelungen. Wie sie den Roboterschwarm dazu brachten, in Selbstorganisation flächige Strukturen zu bilden, beschreiben Michael Rubenstein und sein Team im Fachjournal „Science“.

Vorwärts auf drei Beinchen

Nach Angaben der Forscher haben bisher nur wenige Schwarmexperimente überhaupt die Anzahl von 100 Robotern überschritten. Schwärme von Ameisen, Fischen oder Vögeln bestehen oft aus erheblich mehr Tieren. „Diese Arbeit lässt das Ziel näher rücken, künstliche Schwärme mit den Fähigkeiten der natürlichen zu schaffen“, schreiben Rubenstein und Kollegen.

Die „Kilobots“ genannten Roboter sind etwas größer als eine Zwei-Euro-Münze. Sie stehen auf drei starren Beinchen und werden von zwei Motoren angetrieben. Laufen beide Motoren, bewegt sich der Kilobot geradeaus. Ist nur einer an, vollführt der Kilobot eine Kurvenbewegung.

Wenn die Roboterschar die Daten für die Form erhält, die sie bilden soll, beginnt der Vorgang mit vier Initialrobotern in einer Ecke der Form. Zufällig ausgewählte Roboter laufen am Rand der Robotertraube entlang, bis sie zu Initialrobotern gelangen.

Nun kann der Kilobot ein Koordinatensystem errechnen, das ihm anzeigt, ob er sich innerhalb oder außerhalb der eingegebenen Form befindet. Durch Datenaustausch über Infrarotsender und -empfänger mit seinen Nachbarn findet der Kilobot seinen Platz in der Formation.

Die Roboter kontrollieren sich gegenseitig

Dabei hilft ihm auch ein Gradient, den jeder Roboter ständig errechnet. Vereinfacht gesagt, zeigt der Gradient an, wie viele Reihen ihn von den Initialrobotern trennen. Der Kilobot läuft nun so weit, bis er entweder die Grenze der Form erreicht oder einen Roboter mit gleichem Gradienten findet. Dort bleibt er stehen.

Um Behinderungen durch einzelne Roboter mit Fehlfunktionen zu vermeiden, führten die Forscher einen Algorithmus ein, mit dem sich die Kilobots gegenseitig kontrollieren. Auf diese Weise können zum Beispiel Roboter, die an einer falschen Stelle stehengeblieben sind, auf ihren Fehler aufmerksam gemacht werden, damit sie ihn korrigieren. „Allgemein gesprochen, können viele Fehler durch Informationsaustausch mit den Nachbarn erkannt werden; die kooperative Kontrolle war entscheidend, um große Schwarmexperimente ohne menschlichen Eingriff zu ermöglichen“, schreiben die Wissenschaftler. (dpa)