An der Schnittstelle zwischen Robotik und maschinellem Lernen

Vor zehn Jahren konnten sie sich kaum fortbewegen. Heute ver?ndern die autonomen Laufroboter von Marco Hutter und seinem Team ein ganzes Feld ¨C und k¨¹nftig sollen diese hochmobilen Roboter bei Such- und Rettungsarbeiten unterst¨¹tzen, oder gar andere Planeten erkunden. F¨¹r seine Forschung erh?lt der Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Z¨¹rich nun den diesj?hrigen R?ssler-Preis. Es ist ein Meilenstein, ja Etappensieg auf dem Weg, der f¨¹r Hutter bei einer simplen Frage begann: ?Wie m¨¹ssen wir Roboter bauen, damit sie sich wie ein Mensch oder Tier ¨¹ber jegliches Gel?nde bewegen k?nnen??

Schnell war klar: statt eines Raupen- oder Radantriebes sollten es Beine sein. Diese Antwort warf jedoch die Frage auf, wie so ein Beinantrieb f¨¹r einen Roboter ¨¹berhaupt aussehen und funktionieren sollte. ?Wir haben uns also mit der Entwicklung neuer Antriebs- und Steuerungskonzepte besch?ftigt, wobei die Roboter anfangs noch gar nichts konnten und weit von einer n¨¹tzlichen Anwendung entfernt waren?, erkl?rt Hutter.

Roboter, die auf Hindernisse klettern ¨C und mehr

Im Laufe der Jahre haben sich die Technologien st?ndig weiterentwickelt, sodass Roboter heute in der Lage sind, ¨¹ber schwierigstes Gel?nde zu navigieren und in der realen Welt eingesetzt werden k?nnen. Marco Hutter nennt Beispiele: ?Unsere Laufroboter werden heute f¨¹r Industrieinspektionsarbeiten kommerziell genutzt und wir erforschen neue F?higkeiten, die in Zukunft Erkundungs- oder Rettungseins?tze in komplett unbekannten Umgebungen erm?glichen.?

Dabei setzt das Team von Marco Hutter seit Jahren auf K¨¹nstliche Intelligenz: Mittels maschinellen Lernens wird dem Roboter beigebracht, die Umgebung zu verstehen und mit ihr zu interagieren. Steht der Laufroboter vor einem Hindernis, erkennt er mit Hilfe einer Kamera und eines k¨¹nstlichen neuronalen Netzwerks, um welche Art von Hindernis es sich handelt. Er f¨¹hrt dann die Bewegungen aus, die er zuvor im Training als erfolgversprechend erlernt hat. Fast wie ein wissbegieriger Hund. Kein Wunder also, heisst der vierbeinige Roboter ?ANYmal? ¨C ein Kunstwort bestehend aus ?¨¹berall? (eng: anywhere) und ?Tier? (eng: animal).

Die Grundlagenforschung aus Hutters Team findet nicht nur Anwendung im Bereich der Laufrobotik. ?Die Technologien zur Autonomie, der Umgebungswahrnehmung, oder das maschinelle Lernen zur Regelung nutzen wir heute zum Beispiel zur Automatisierung von Bagger- und Forstmaschinen, f¨¹r Roboter in der Landwirtschaft, oder f¨¹r Logistikaufgaben?, erg?nzt Hutter.

Auszeichnung f¨¹r einen Pionier

Hutters Arbeit zur Mobilit?t und Autonomie von KI-gesteuerten Laufrobotern haben die Robotik-Forschung grundlegend ver?ndert und gleichzeitig dazu beigetragen, die ETH Z¨¹rich als weltweit f¨¹hrende Institution in der Robotik zu verankern. F¨¹r sie erh?lt Hutter den R?ssler-Preis in diesem Jahr. Die Auszeichnung w¨¹rdigt nicht nur seine wissenschaftlichen Pionierleistungen ¨C die revolution?re, auf maschinellem Lernen basierende Fortbewegungssteuerung ist heute ein Standard, der an der ETH entwickelt wurde. Die Auszeichnung w¨¹rdigt auch das hohe Niveau, das Hutter in den Bereichen Technologietransfer, Unternehmertum sowie Community- und Projektinitiativen erreicht hat. Hutter habe es geschafft, ?ein weites Kooperations-Netz zu spannen?, erkl?rt ETH-Z¨¹rich-Pr?sident Jo?l Mesot. ?Es ist eine grosse Ehre, mit dem R?ssler-Preis 2024 ausgezeichnet zu werden. Ich habe Herrn R?ssler vor mehr als zehn Jahren kennengelernt, als ich noch ganz am Anfang meiner Forschung stand. Damals h?tte ich nie gedacht, dass ich einmal eine solche Auszeichnung erhalten w¨¹rde?, sagt Marco Hutter.

Kreativit?t und interdisziplin?res Fachwissen

Hutter interessierte sich schon fr¨¹h daf¨¹r, wie Maschinen gebaut sind, wie Mechaniken funktionieren. Kein Wunder, dass es ihn an die ETH Z¨¹rich zog, wo er seine Bachelor-Arbeit bereits ¨¹ber Mikrorobotik schrieb, gefolgt von einer Semesterarbeit und einem Industriepraktikum ¨¹ber Regelungssysteme. Aufgrund seiner herausragenden Leistungen im Bachelor-Studium wurde er im Master mit einem der ersten Exzellenz-Stipendien der ETH Foundation gef?rdert. Seine Master-Arbeit schrieb Hutter im Bereich Modellierung und Laufrobotik bei Roland Siegwart, Professor f¨¹r Autonome Systeme.

So erwarb er wichtige F?higkeiten, um neue Fragen in der Robotik zu erforschen. ?Wenn mich jemand fragt, was ich mache, antworte ich oft: Spielen f¨¹r Erwachsene. Ich glaube, dass man das Spielerische braucht, um kreativ neue Ideen zu entwickeln ¨C und gleichzeitig macht die Arbeit sehr viel Spass?, f¨¹hrt Hutter aus. Dabei sei ein solides theoretisches Grundwissen unerl?sslich ¨C sei es in Mathematik, Regelungstechnik oder maschinellem Lernen. Robotik eben, ein interdisziplin?res Feld. ?Wir arbeiten mit Umweltwissenschaftler:innen, Architekt:innen , Geolog:innen, und Expert:innen aus dem Baubereich und vielen anderen Disziplinen zusammen. Das macht die Arbeit sehr interessant. Man muss offen sein und fach¨¹bergreifend arbeiten k?nnen?, erg?nzt er.

Technologietransfer und Unternehmergeist

Vor zehn Jahren erhielt Marco Hutter ein Pioneer Fellowship der ETH Foundation und gr¨¹ndete damit zusammen mit seinem Forscherteam das damalige Start-up ANYbotics. Das Pioneer Fellowship half, die Laufrobotertechnologie von der Erforschung bis zur kommerziellen Anwendung zu bringen. Der Technologietransfer von der Wissenschaft in die Praxis ist ein wichtiges Element in der Arbeit von Hutter. Er beschr?nkt sich nicht auf theoretische, simulationsbasierte oder konzeptionelle Forschung, sondern geht ¨¹ber den Konzeptnachweis hinaus und zeigt L?sungen auf, die in realistischen Szenarien funktionieren. So ist Hutter Inhaber von sechs Patenten und hat in seiner Gruppe einen starken Unternehmergeist entwickelt, aus dem bisher acht ETH-Spin-offs hervorgegangen sind.

Ein aktuelles Beispiel f¨¹r den Realit?tscheck der neusten Forschung im Bereich mobile Manipulation ist die Teilnahme am diesj?hrigen Cybathlon, bei dem es darum geht, wie Menschen mit k?rperlichen Einschr?nkungen durch robotische Assistenzsysteme unterst¨¹tzt werden k?nnen. Der Roboter kann auf Befehl einen Apfel vom Tisch nehmen und zum Essen reichen, eine T¨¹r ?ffnen oder etwas aus dem Briefkasten holen. F¨¹r solche Aufgaben war bisher immer eine zus?tzliche Person n?tig.

Das er?ffnet neue M?glichkeiten f¨¹r die Autonomie und Selbstbestimmung von Menschen mit k?rperlichen Einschr?nkungen, und es gibt immer mehr solcher Beispiele. Doch Hutter z¨¹gelt die Erwartungen etwas: Trotz dieser Fortschritte seien die Systeme im Vergleich zu Menschen oder Tieren immer noch sehr einfach. ?Ziel ist es daher, Roboter immer mehr mit einem besseren Verst?ndnis ihrer Umgebung zu verkn¨¹pfen. Ein Roboter in einem Geb?ude muss zum Beispiel wissen, was eine T¨¹r ist und wie sie funktioniert, oder dass er, um einen Apfel zu holen, sich wohl am ehesten in die K¨¹che begeben muss?, erg?nzt Hutter.

Von der Munitionsr?umung bis zum Mars

Marco Hutter und sein Team engagieren sich intensiv in verschiedenen Bereichen, in denen sie ihre Systeme einsetzen k?nnen, h?ufig in Bereichen, wo es f¨¹r Menschen zu gef?hrlich ist wie bei der Munitionsr?umung im ehemaligen Munitionslager Mitholz.

Schon lange hegt Hutter den Wunsch, Roboter der ETH im Weltraum einzusetzen. ?ber die Jahre hat er immer wieder gezeigt, dass Laufroboter Steigungen und Hindernisse viel besser ¨¹berwinden k?nnen als solche mit Raupen oder R?dern. ?Das ist zwar komplex, aber die Technologie ist inzwischen so weit, dass sie diese Herausforderungen meistern kann?, sagt Hutter. Deshalb sei es heute m?glich, ¨¹ber neue Anwendungen nachzudenken. Zum Beispiel k?nnten Roboter in Krater auf dem Mars oder dem Mond klettern, dort Erkundungen durchf¨¹hren und Daten liefern, zu denen wir bisher keinen Zugang hatten.