Kicken für die Kognition

Während Ballack, Beckham, Ronaldo & Co in den zwölf WM-Stadien um den FIFA-Pokal kicken, üben sich in Bremen Roboter im Fußballspielen. Ihre Entwickler testen mit ihnen neue Technologien. Deutschland wird Weltmeister. Wer darauf wettet, hat gute Chancen zu gewinnen – wenn auch vielleicht nur bei den Fußball spielenden Robotern, die parallel zur FIFA-WM der menschlichen Kicker in Bremen um den Weltmeistertitel ringen. In mehreren Ligen des so genannten RoboCup treten große und kleine, auf Rädern rollende oder sich auf zwei oder vier Beinen fortbewegende Maschinenwesen gegeneinander an, um das Runde ins Eckige zu befördern. Das jährlich ausgetragene exotische Fußballturnier findet in diesem Jahr zum zehnten Mal statt – und bislang haben die maschinellen Kicker aus Deutschland dabei stets sehr erfolgreich abgeschnitten. Zum Beispiel beim RoboCup 2005 im japanischen Osaka. Dort versenkte Max, ein von Wissenschaftlern am Institut für Informatik der Universität Freiburg gebauter zweibeiniger Roboter, im Finale des Elfmeterschießens in der „Teen-Size-Liga” der Humanoiden den Ball gleich dreimal im Kasten der iranischen Mannschaft „Aria” von der Universität Teheran. Die Freiburger Robo-Kicker vom Team NimbRo bezwangen die Iraner dadurch mit 3 : 0. Seine beiden kleineren Roboter-Brüder Sepp und Jupp unterlagen erst im Endspiel der Kid-Size-Liga einem Zweierteam von der japanischen Universität Osaka knapp mit 1 : 2. Auch andere deutsche Teams waren erfolgreich. Die kickenden Roboterhunde aus Deutschland holten einen Weltmeistertitel, ebenso die FU Fighters von der Freien Universität Berlin, die in der Small-Size-Liga der rollenden Robo-Kicker siegten und zudem Zweiter in der Middle-Size-Liga wurden. Die Freiburger Computerwissenschaftler um Sven Behnke entwickeln seit etlichen Jahren Roboter unterschiedlicher Größe und Gestalt, denen sie das Fußballspielen beibringen. Und das nicht nur zum eigenen Spaß und zur Unterhaltung der Zuschauer – die Spiele der RoboCup-WM in Osaka verfolgten insgesamt über 180 000 Menschen –, sondern aus handfestem Forschungsinteresse: „Die Turniere helfen dabei, neuartige Technologien in der Robotik sowie neue Ansätze der Künstlichen Intelligenz im praktischen Einsatz zu erproben – und dadurch Schwachstellen in Hard- und Software aufzuspüren und auszumerzen”, sagt Behnke. „Der Roboterfußball dient als standardisiertes Problem, an dem sich die Ergebnisse aus verschiedenen Forschungsdisziplinen direkt vergleichen lassen”, erklärt Ubbo Visser, Wissenschaftler am Technologiezentrum für Informatik der Universität Bremen und Chef-Organisator des Bremer RoboCup-Turniers. Der Vorteil dieses spielerischen Vergleichstests: Die Regeln stehen fest, alle Roboter haben die gleichen Bedingungen zu erfüllen. Dadurch lässt sich objektiv feststellen, welche der intelligenten Maschinen bei der Bewältigung der Aufgaben, die das Fußballspiel an sie stellt, besser abschneidet als andere. Die RoboCup-Wettbewerbe stellen hohe Ansprüche an Technik und intelligente Steuerung der seelenlosen Gesellen. „Nach dem Anpfiff müssen sich die Roboter völlig autonom, das heißt ohne Fernsteuerung, über das Spielfeld bewegen – auf Rädern, vier oder zwei Beinen oder als virtuelle Spieler im Computer”, erklärt der Bremer Informatiker Visser. Um im Spiel zu bestehen, ist es erforderlich, dass die maschinellen Kicker stets genau über ihren Standort Bescheid wissen und die Bewegungen der anderen Spieler sowie des Balls verfolgen, um durch Zielen des Balls in eine Abwehrlücke des Gegners oder durch geeignete Stellungswechsel reagieren zu können. Daran, wie erfolgreich die Roboter diese Aufgaben meistern, können ihre Entwickler die Qualität und Zuverlässigkeit von Antrieben, Sensoren sowie Analyse- und Steuerungs-Software überprüfen. „Der Roboterfußball hat inzwischen Schach als Leitproblem der Künstlichen-Intelligenz-Forschung abgelöst”, sagt der Freiburger Informatiker und NimbRo-Teamchef Sven Behnke. Jahrzehntelang galten Schachcomputer als Messlatte dafür, was intelligente Maschinen im direkten Vergleich mit dem Menschen zu leisten vermögen. Seit jedoch mit dem IBM-Computer Deep Blue, der sich im Mai 1997 mit 3,5 zu 2,5 Partien gegen den damaligen Weltmeister Garry Kasparow durchsetzte, erstmals ein Mikrochip über einen menschlichen Schachspieler triumphierte, hat der Reiz des königlichen Spiels für die Informatiker deutlich nachgelassen. Sie messen ihre neuen Entwicklungen nun im Fußballspiel. „Die Anforderungen beim Fußball gehen weit über die beim Schachspiel hinaus”, betont Behnke: Die Mitglieder eines Teams von intelligenten Maschinen müssen sich in einer dynamischen, sich ständig verändernden Umgebung zurechtfinden und je nach Situation optimal zusammenarbeiten. Darin ähneln die Bedingungen zwischen den Toren denen, die Serviceroboter vorfinden, wenn sie künftig Menschen bei Tätigkeiten im Haushalt oder Büro unterstützen oder selbstständig nach verschütteten Personen in einem Erdbebengebiet suchen sollen. Auch diese maschinellen Kreaturen müssen sich in einer teils unübersichtlichen und veränderlichen Umgebung orientieren und bewegen. Sie müssen nicht nur mit festen Hindernissen, sondern auch mit Menschen, anderen Robotern und Haustieren klarkommen, die sich mit ihnen verständigen und mit ihnen kooperieren wollen oder die ihnen einfach den Weg versperren – wie ein gegnerischer Spieler auf dem Fußballplatz. Wer Fußball spielen kann, der kann auch die Wohnung sauber halten, im Garten das Unkraut jäten, sich zwischen Schreibtischen oder durch Schuttberge hindurch manövrieren oder seinen Dienst als Bote, Wächter oder Pförtner in einem Firmengebäude verrichten – so die Idee, die hinter den Roboterfußball-Turnieren steht. Sie ist der Antrieb, der viele Tausend Forscher weltweit dazu bringt, sich an der Entwicklung Fußball spielender Roboter zu beteiligen. Rund 350 Teams aus etwa 40 Ländern erwarten die Veranstalter beim RoboCup 2006 in Bremen. Rund zwei Dutzend Forschergruppen treiben allein in Deutschland den technischen Fortschritt bei den Robo-Kickern voran. „Die wichtigsten Aufgaben, die Roboter beim Fußballspielen zu lösen haben, sind Wahrnehmung, Verhaltenssteuerung und Kommunikation”, sagt Sven Behnke. Um ihr Umfeld erfassen zu können, sind die meisten Robo-Kicker mit Farbkameras mit Weitwinkelobjektiv ausgerüstet. Die Kamerabilder werden – bei größeren Robotern – von einem integrierten Mini-Computer verarbeitet, der auch die Bewegungen steuert und die Kommunikation mit den Mitspielern kontrolliert. Bei kleineren Robotern – in der Small-Size-Liga sind die maschinellen Fußballspieler nicht größer als 18 Zentimeter – übernimmt diese Aufgaben ein am Rand des Spielfelds platzierter externer Rechner, der per Funk mit den Robotern in Verbindung steht. Auch Pfiffe und Entscheidungen des Schiedsrichters werden den Spielern per Funk von einem PC neben dem Platz mitgeteilt. Die Bewegungen führen Elektromotoren aus. Bis zu mehrere Dutzend von ihnen stecken in den komplexen menschenähnlichen Robotern, die seit 2002 bei den RoboCup-Turnieren antreten. Die beiden rund 60 Zentimeter großen und 2,3 Kilogramm schweren Freiburger Robo-Kicker Sepp und Jupp besitzen je sechs Servomotoren pro Bein, drei pro Arm und einen im Inneren des Rumpfs. Um die eigenen Bewegungen zu kennen und im Griff zu behalten, wird der eingebaute Mini-Computer ständig mit den Messdaten diverser Sensoren gefüttert: zum Beispiel von Gelenksensoren, die die Stellung von Armen und Beinen messen, und von Neigungssensoren, die Abweichungen von der aufrechten Körperhaltung detektieren – und dadurch rechtzeitig merken, wenn der Roboter umzukippen droht. Um es den Robotern zu erleichtern, die Spielsituation richtig einzuschätzen, sind die wichtigsten Objekte auf dem Fußballplatz farbig markiert. Das Spielfeld ist grün mit weißen Linien. Das eine Tore ist gelb, das andere blau, der Ball ist leuchtend orange. Die Spieler der beiden Mannschaften sind durch Markierungen in unterschiedlichen Farben gekennzeichnet. In den letzten zehn Jahren sind die Wahrnehmungsfähigkeiten der Roboter deutlich besser geworden. Entsprechend hat man die Bedingungen, mit denen die maschinellen Kicker zurechtkommen müssen, schrittweise immer weiter verschärft. So wurde das Spielfeld vergrößert, und die hohen Banden um den Platz, mit denen die Zuschauer aus dem Blickfeld der Roboter abgeschirmt werden sollten, wurden abgeschafft. Gleichzeitig hat man die Beleuchtung, die bei den ersten RoboCup-Turnieren gleißend hell war, deutlich abgedunkelt. Beim diesjährigen Turnier in Bremen werden einige Spiele erstmals auf Rasen ausgetragen. Die Fußballroboter lernen also allmählich, sich in einer normalen, nicht mehr eigens an ihre technischen Unzulänglichkeiten angepassten Umgebung zurecht zu finden – und damit unter Bedingungen zu agieren, denen auch kommerzielle mobile Roboter beim Einsatz in Gebäuden oder im Freien ausgesetzt sind. Die große Herausforderung beim RoboCup liegt – genau wie bei eigenständig handelnden Servicerobotern – in der Integration der verschiedenen Komponenten wie Mechanik, Bildverarbeitung und Steuersoftware. Zum anderen steckt das Problem darin, aus den von Kamera und Sensoren aufgenommenen Informationen blitzschnell eine logische Aktion abzuleiten – und dabei zu berücksichtigen, dass Spieler und Ball sich ständig weiter bewegen. Auch hier gibt es Fortschritte. So hatten bei der ersten RoboCup-WM 1997 im japanischen Nagoya die Teams noch Schwierigkeiten, überhaupt den Ball zu finden – der Kick wurde zum langweiligen Standspiel. Ein paar Jahre später rückten alle Roboter, die den Ball entdeckten, einfach schnurstracks auf ihn zu – und behinderten sich dabei gegenseitig. Doch inzwischen erkennen die meisten der maschinellen Ballkünstler, wenn es taktisch günstiger ist, den Ball einem besser positionierten Mitspieler zu überlassen und sich selbst stattdessen in Manndeckung oder im Stellungsspiel zu üben. Per Funk stimmen sich die Roboter in einer Mannschaft über ihre Aktionen ab und berücksichtigen dabei auch, was ihre Mitspieler machen. Experten erwarten, dass sich in den nächsten Jahren noch viel tun wird: „Wir werden immer häufiger sehen, wie Roboter-Spieler sich den Ball zuspielen und eine gemeinsame Strategie verfolgen”, sagt der Freiburger Roboterforscher Sven Behnke. Solche Eigenschaften könnten eines Tages entscheidend für das Leben von Menschen sein – etwa wenn es darum geht, dass die Mitglieder eines Trupps von Bergungs- oder Suchrobotern ihren Rettungseinsatz nach einem Erdbeben oder Terroranschlag effizient untereinander abstimmen. Entscheidende Vorarbeit für die Fähigkeiten der realen Roboter haben die Teams geleistet, die sich in der Simulations-Liga im Fußballspielen messen. Dabei treten im Computer Mannschaften aus elf Spielern in simulierten Partien gegeneinander an. Die virtuellen Kicker können Täuschungsmanöver des Gegners erkennen und darauf reagieren. Sie verwenden ausgefuchste Strategien, um den Gegner auf dem Platz zu überlisten, und lernen allein aus ihrer Erfahrung ständig dazu. Wissenschaftler am Fachbereich für Informatik der Universität Konstanz haben sogar einen mathematischen Algorithmus entwickelt, mit dem die Kicker bei einem simulierten Roboter-Fußballspiel – in Ronaldo-Manier – Dribblings mit dem virtuellen Ball vollführen. Viele Erkenntnisse der Wissenschaftler aus dem simulierten Roboterfußball helfen, die Fertigkeiten der Maschinenwesen weiter zu vervollkommnen. So nähern sich die Fußball spielenden Roboter in kleinen Schritten dem Ziel, das der RoboCup-Gründer, der japanische Informatiker Hiroaki Kitano, gesetzt hat: Bis 2050, so die Vision, soll eine Mannschaft aus elf völlig autonom agierenden humanoiden Robotern in einem Fußballmatch gegen die Mannschaft des amtierenden menschlichen Weltmeisters antreten – und das Spiel gewinnen. Kitano vergleicht diesen ehrgeizigen Plan mit dem Apollo-Raumfahrtprogramm der USA in den Sechzigerjahren: Wie die Landung eines Menschen auf dem Mond hätte auch der Gewinn der Fußball-WM durch ein Team von Robotern keinen direkten praktischen Nutzen. Doch das Ziel rechtfertigt sich durch die zahlreichen Innovationen und neuen Anwendungen, die auf dem Weg dorthin realisiert werden können. Ralf Butscher ■ Ohne Titel Menschliche Kicker werden in Bremen während der FIFA-WM nicht auf dem Rasen zu sehen sein – das Weserstadion gehört nicht zu den zwölf Austragungsorten des Turniers. Dennoch können die Bremer einer Fußballweltmeisterschaft beiwohnen. Denn parallel zu den Spielen der lebenden Stars kämpfen in der Hansestadt kickende Roboter um den WM-Titel – beim RoboCup 2006, der vom 14. bis 20. Juni im Bremer Messezentrum stattfindet. Ausgetragen werden die Fußballspiele in vier Ligen: In der Small Size League treten Miniatur-Roboter an, die kleiner als 18 Zentimeter sind. Sie kicken mit einem Golfball. In der Middle Size League spielen zwischen 18 und etwa 50 Zentimeter große Roboter um den Titel. Eigene Ligen gibt es für menschenähnliche Roboter sowie für Teams aus Aibo-Roboterhunden von Sony. Gespielt wird in allen Ligen nach den offiziellen Fußballregeln der FIFA – mit wenigen Einschränkungen: So gibt es bei den Robotern kein Abseits. Außerdem zeigen in der Junior League Kinder und Jugendliche Roboter – etwa Mindstorm-Roboter von Lego –, die sie selbst so programmiert haben, dass sie Fußball spielen oder tanzen können. Um das Aufspüren von Verschütteten in einem fiktiven Katastrophengebiet geht es bei der Rescue League (siehe Kasten „ BERGEN STATT BALLSPIELEN”). Der Eintritt zu den Spielen ist frei. Das Programm steht unter: www.robocup2006.org. Zum RoboCup gehört auch ein jährlich am Heinz-Nixdorf-Museumsforum in Paderborn ausgetragenes German-Open- Turnier. Es gibt noch etliche andere Wettbewerbe, in denen sich Roboter messen – etwa im Boxen, Rugby, Klettern, aber auch im Staubsaugen oder Fensterputzen. Ohne Titel Seit 2001 umfasst die RoboCup-Weltmeisterschaft neben Fußballspielen in mehreren Ligen auch einen Rettungswettbewerb, die Rescue League. Dabei geht es darum, in einem künstlich aufgebauten Trümmerfeld nach verschütteten Menschen zu suchen, die durch Puppen repräsentiert werden. Die Idee dazu entstand nach dem schweren Erdbeben von Kobe, bei dem 1995 in der japanischen Großstadt etwa 550 Menschen unter dem Schutt von eingestürzten Gebäuden und Brücken ums Leben kamen. In der Rescue League müssen die Roboter durch einen Parcours manövrieren, der der Trümmerlandschaft an einem realen Schauplatz in einem Erbebengebiet oder nach einem Bombenattentat nachgebildet ist. Die Herausforderungen für die Roboter unterscheiden sich deutlich von denen beim Fußballspielen: Die Informationen, die die Suchroboter über die Umwelt gewinnen, sind unpräzise und lückenhaft. Der Rettungseinsatz muss geplant, komplizierte Hindernisse müssen überwunden werden – und währenddessen haben die einzelnen Roboter eines kleinen Suchteams sinnvoll miteinander zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten. Dadurch sollen die mobilen Roboter, die anders als ihre Kollegen bei den Fußballspielen ferngesteuert werden, schnell einen möglichst genauen Überblick über die nachgebildete Katastrophenregion und die Lage von Verschütteten unter den Trümmern gewinnen. Um Menschen zu finden, sind die maschinellen Retter mit Sensoren für Körperwärme, ausgeatmetes Kohlendioxid, menschliche Körperbewegungen oder mit Mikrofonen zum Erkennen von Hilferufen ausgestattet. Bewertet wird unter anderem, wie viele der Menschenpuppen von den Robotern geortet werden, wie genau die erstellten Umgebungskarten sind – aber auch, wie viel Schaden die Rettungsroboter bei ihrer Suchaktion anrichten. Die jährlichen Vergleichswettbewerbe in der Rescue League des RoboCups sollen helfen, die Wendigkeit, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit von mobilen Rettungsrobotern zu verbessern. Solche Roboter kamen bereits nach den Terroranschlägen auf das World Trade Center in New York am 11. September 2001 zum Einsatz, um unter den Schuttbergen der beiden eingestürzten Türme nach Opfern zu suchen. Ohne Titel • Das Fußballspiel eignet sich sehr gut zum Prüfen verschiedener Robotermodelle und Methoden der Künstlichen Intelligenz. • Erkenntnisse, die dabei über das Erfassen der Umgebung, die Analyse komplexer Spielsituationen und die Kooperation im Team gewonnen werden, helfen beim Entwickeln kommerzieller Serviceroboter. • Raffinierte neue Techniken erlauben es den Robotern, unter immer schwierigeren äußeren Bedingungen zu spielen.