Roboter brauchen intelligente Materialien
Sie organisieren demnächst einen virtuellen internationalen Workshop mit dem Titel «Material Intelligence» – wie kann ein Material Intelligenz erlangen? Wie müssen wir uns ein Material vorstellen, das Sie als «intelligent» bezeichnen würden?
Mirko Kovac: Die allgemeingültigen Definitionen von «Intelligenz» beziehen sich typischerweise auf die Interaktion zwischen einem «Agenten» und seiner Umgebung, also z.B. die Fähigkeit zu lernen, zu verstehen, zu reagieren oder sich an Situationen und Veränderungen in der Umgebung anzupassen. Ein Agent kann ein beliebiger Organismus sein, etwa ein Fisch, eine Katze oder ein Mensch. In unserem Fall ist der Agent ein Roboter. In Bezug auf Materialien liegt die Intelligenz in ihrer Fähigkeit, auf äussere Reize zu reagieren. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dies von einer passiven, mehr oder weniger vordefinierten Reaktion auf Reize zu einer intelligenten Anpassung an eine sich verändernde Umgebung zu machen. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Material, das auf Wärme durch Formveränderung reagiert, dies tut, indem es sich an die konkret vorherrschenden äusseren Bedingungen anpasst. Wir können die Gesetze der Physik nicht ändern, aber wir können dem Material durch geschicktes Design helfen, sich an die jeweilige Situation anzupassen. Wenn wir also von materieller Intelligenz sprechen, denken wir eher an ein reaktionsfähiges System aus Materie und cleverem Design.
Aslan Miriyev: Ein wesentlicher Vorteil wäre hier die Reversibilität, also die Umkehrbarkeit, und eine hohe Wiederholbarkeit des intelligenten Verhaltens. Solche Systeme könnten sich etwa als Grundlage für eine neuartige Computerarchitektur eignen, die Formen und Materialeigenschaften als Mittel zum Rechnen nutzt. Im Workshop diskutieren wir diesen Weg von funktionalen Materialien als passive Einheiten, die auf äussere Reize reagieren, hin zu einem System, mit dem sich komplexe Berechnungen bewerkstelligen lassen.
Was ist die Verbindung zwischen intelligenten Materialien und künstlicher Intelligenz (KI)? Und wo oder wie würde die Robotik ins Bild passen?
Miriyev: Im Zusammenhang mit der vorhergehenden Frage bilden materielle Systeme die physische künstliche Intelligenz von Roboterkörpern, ähnlich wie biologisches Gewebe die Intelligenz unseres Körpers ausmacht. Synthetische und biohybride Materialien sind der Schlüssel zu kollaborativen Robotern, die mit dem Menschen in zukünftigen symbiotischen Mensch-Roboter-Ökosystemen koexistieren werden.
In den letzten Jahren hat sich die KI-Forschung von einem Algorithmus-basierten Fokus auf möglichst grosse Rechenleistung hin zu einer eher physikalischen Betrachtungsweise der Intelligenz, der sogenannten Physische AI, entwickelt. Wohin steuert diese Art der Forschung?
Miriyev: In der Tat ist das Feld der KI in den letzten Jahrzehnten enorm gewachsen. Es ist klargeworden, dass KI nicht nur die digitale KI ist, die wir zum Beispiel von der Fähigkeit kennen, anhand von Kamerabildern eine Packung Chips in einem Durcheinander von vielen Gegenständen auf einem Tisch zu erkennen. Bei KI geht es auch um die physische Interaktion mit der Welt, mit Menschen, der Umwelt, der Natur, Pflanzen, Tieren.
Kovac: Die Forschung geht höchstwahrscheinlich in die Richtung, die physische Seite der KI zu entwickeln und sie mit ihrem digitalen Gegenstück zu verschmelzen. Kürzlich haben wir diese Ideen in einem Artikel in der Zeitschrift «Nature Machine Intelligence» veröffentlicht. Wir definieren Physische KI (oder PAI) als die Theorie und Praxis der Entwicklung physischer Systeme, die in der Lage sind, Aufgaben auszuführen, die typischerweise mit intelligenten Organismen in Verbindung gebracht werden.
Welcher Bereich oder welche Branche könnte am meisten von dieser Art von KI profitieren? Haben Sie konkrete Beispiele?
Kovac: Zu den Anwendungsbereichen von Physischer AI gehören etwa das Gesundheitswesen, die Altenpflege, die Digitalisierung der Infrastruktur, das Katastrophenmanagement, die öffentliche Sicherheit, der Dienstleistungssektor, das Bildungswesen und die industrielle Automatisierung. Das gesamte Industrie-5.0-Konzept basiert auf einer echten Mensch-Roboter-Interaktion. Bisher waren die meisten der sukzessive kommerzialisierten Soft-Roboter-Lösungen in den Bereichen Pick-and-Place, Wearables, Prothesen und minimal-invasive medizinische Anwendungen.
Miriyev: Der derzeitige Einsatz von Physischer AI ist noch sehr begrenzt im Vergleich zu den Herausforderungen der Welt um uns herum und zu den Möglichkeiten, die vor uns liegen. Es gibt nahezu unendlich viele Möglichkeiten für den Einsatz von Robotern, die in der Lage sind, mit Menschen zusammenzuleben und zusammenzuarbeiten.
Sie arbeiten an autonomen Drohnen, oder Robotern, wenn Sie so wollen, die von biologischen Prinzipien inspiriert sind. Wie würden Sie deren Rolle, ihre Ausgabe in der Interaktion mit uns Menschen definieren?
Kovac: 2013 habe ich einen Artikel mit dem Titel «The Bioinspiration Design Paradigm: A Perspective for Soft Robotics» veröffentlicht. Das Prinzip lässt sich in drei Phasen unterteilen: Inspiration, Abstraktion und Implementierung. In der Inspirationsphase beobachtet ein Wissenschaftler ein natürliches Phänomen. In der anschliessenden Abstraktionsphase versucht er oder sie, die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien des beobachteten Phänomens herauszufinden. Danach kommt die Implementierungsphase, in der der Wissenschaftler die abstrahierten bioinspirierten Designprinzipien in ein synthetisches System einbaut. Konkret lassen wir uns vom Prozess der Erschaffung neuer lebender Organismen als neues Paradigma für die Schaffung künstlicher Systeme inspirieren.
Miriyev: Beim Aufbau Physischer KI-Systeme trägt das Wissen aus mehreren Disziplinen dazu bei, gleichzeitig Strukturen, Sensorik, Aktuatorik und die Berechnungsgrundlage für ein intelligentes Verhalten zu schaffen. Im Workshop wollen wir verschiedene Wege zu einem solch fortschrittlichen Roboterdesign durch die Nutzung verschiedener Aspekte der materiellen Intelligenz diskutieren.
Angesichts der vielen dystopischen Sci-Fi-Filme und -Romane muss man mit einer gewissen Skepsis rechnen, wenn man von der Symbiose von Mensch und Maschine spricht. Was sind die grössten Herausforderungen in diesem Bereich, und wie gehen Sie diese an?
Kovac: Bei aller Liebe zu fiktionalen Dramen vergessen wir oft, dass die Anforderungen des realen Lebens viel offensichtlicher sind als die Plots von Science-Fiction-Szenarien. Ältere Menschen brauchen tatsächlich zuverlässige Hilfe, die weit über telepräsente Humanoide hinausgeht.
Miriyev: Die Gesellschaft braucht lebensechte Roboter-Assistenten, die sich in der Art, Geschwindigkeit und Sprache sowohl an ihre älteren menschlichen Begleiter als auch an ihre Umgebung anpassen, um ihnen jede notwendige Hilfe zukommen zu lassen. Dies sollte geschehen, ohne die Lebensqualität der Menschen oder ihre Privatsphäre und ihre persönlichen Daten zu gefährden. Wir müssen uns darauf konzentrieren, nützliche Gegenstände für die Menschen bzw. für deren Alltag zu schaffen.
Wo stehen wir also in, sagen wir, 20 Jahren in Bezug auf KI, Robotik und dergleichen?
Kovac: Robotik wird zu einem festen Bestandteil unserer physischen Welt und zu einem digitalen Gewebe unserer Infrastrukturen und Städte. Robotik wird als Begriff in vielerlei Hinsicht verschwinden, und wir werden uns daran gewöhnt haben, in unserem Alltag mit künstlicher Intelligenz umzugehen. Die Herausforderung für die nächsten Jahrzehnte wird bei bio-hybriden Systemen liegen, bei der Kombination von Robotik mit biologischen Materialien. Mit diesem Thema beschäftigen wir uns auch am Zentrum für Robotik der Empa.
