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Schwarmintelligenz und Evolutionäre Robotik

Die Entwicklung adaptiver Systeme, die autonom und zuverlässig in dynamischen Umgebungen agieren, ist eine große Herausforderung der Robotik. Die Methoden der Schwarmrobotik helfen, die Komplexität solcher Systeme zu reduzieren, und Methoden der Evolutionären Robotik helfen, Robotersteuerungen automatisch zu generieren. In unserem Projekt „flora robotica“ erforschen wir, wie man Pflanzen und Roboter mit diesen Methoden zusammenfügen kann.

Schwarmintelligenz

In der Schwarmintelligenz werden natürliche und künstliche Systeme untersucht, die aus vielen Individuen bestehen und sich per dezentraler Steuerung und Selbstorganisation koordinieren. Insbesondere werden kollektive Verhalten betrachtet, die sich aus lokaler Interaktion zwischen den Individuen und ihrer Umwelt ergeben. Beispiele sind Multi-Roboter-Systeme und bestimmte durch Ameisenverhalten inspirierte Algorithmen zur Optimierung und Datenanalyse. Ziel unserer Arbeiten ist es, Einzelverhalten mit simplen Algorithmen zu definieren und trotzdem komplexe Systemverhalten zu erzeugen. Auf diese Weise hoffen wir, auch in Zukunft die steigende Komplexität ingenieurtechnischer Systeme beherrschen zu können.

Evolutionäre Algorithmen

Evolutionäre Algorithmen sind den metaheuristischen Optimierungsverfahren
zuzuordnen und basieren auf Darwins Prinzip der Auslese und Reproduktion gut angepasster Organismen. Wir wenden diese Methodik sowohl in der Softwaretechnik zur automatischen Erstellung von Anforderungs- spezifikationen an als auch in der Robotik, um Steuerungen für autonome Roboter automatisch herzustellen.

Letzterer Ansatz betrachtet Roboter als autonome, künstliche Organismen, die ihre Fähigkeiten selbst ohne menschliches Eingreifen entwickeln, indem sie eng mit ihrer Umwelt interagieren. Ziel ist es, weder Anforderungs- spezifikationen noch Roboter von Hand formulieren und programmieren zu müssen.

Vision des „flora-robotica“-Systems

flora robotica

Dieses Jahr haben wir in unserem durch die EU geförderten Projekt „flora robotica“ einen entscheidenden Entwicklungsschritt bewältigt. Seit April 2016 befinden wir uns im zweiten Projektjahr. Die Idee ist, eng miteinander verbundene, symbiotische Beziehungen zwischen einem verteilten Robotersystem und Pflanzen herzustellen, um architektonische Artefakte und Wohnräume zu schaffen.

Wir haben erste Prototypen der notwendigen Roboter-Hardware entwickelt und getestet. In verschiedenen Experimenten wurde untersucht, wie durch Einwirkung von Licht, Vibrationen und mechanischer Stimulation das Wachstum der Pflanzen beliebig verändert werden kann. Dazu werden die natürlich vorhandenen Tropismen (Wachstum und Bewegung der Pflanze als Reaktion auf verschiedene Stimuli) wie gewünscht aktiviert. Besondere Herausforderungen waren die Selektion passender Sensorik zur Detektion der Pflanzen, die Abstimmung von Umgebungslicht und gerichtetem Licht unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Pflanzen sowie die Software-Hardware-Integration.

Insgesamt ist dieses Projekt ein Paradebeispiel für die Rolle der modernen Informatik im Zusammenspiel mit den Lebenswissenschaften, sogar der Architektur und Ideen des Internet of Things sowie Ubiquitous Computing.

Roboter-Hardware zur Steuerung der Pflanzen und Konzept geflochtener Strukturen.

Gefördert durch:

  • DFG Sonderforschungsbereich 901 „On-The-Fly Computing“, Teilprojekt B1; EU Horizon 2020 FET-Projekt flora robotica