Proseminar. Künstliche Intelligenz -Biomimetische Robotik-

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1 Proseminar Künstliche Intelligenz -Biomimetische Robotik- Thomas Twardawski

2 Gliederung: 1. Begriffserklärung 2. Navigationsarten: - Spurpheromone - Pfadintegration - Phonotaxis - Chemotaxis - Landmarkennavigation - Optische Flussfelder 3. Roboter Beispiele: 3.1 Roboter - Stabheuschrecke 3.2 Schwimmende Roboter - Aquapenguin 3.3 Fliegende Roboter - Edgar - Delfly 4. Quellen

3 1. Begriffserklärung Allgemein: Bionik Biologie und Technik. Die Bionik/Biomimese beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von Erfindungen der belebten Natur und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. [1] Vorgehensweisen: Bionik als top-down-prozess : 1. Man definiert ein Problem. 2. Suche nach möglichen Lösungen in der Natur. 3. Analysieren des Vorgangs aus der Natur. 4. Mögliche Lösungen aus der Analyse umsetzen. Bionik als bottom-up-prozess 1. Man beobachtet etwas in der Natur. 2. Erkennt ein(e) Vorgehensweise/Technik/Prinzip. 3. Abstrahiert das Prinzip und versucht es technisch umzusetzen.

4 2. Navigationsarten Tiere finden nach hunderten von Metern Laufweg wieder zu ihrem Nest zurück. Die europäische Ameise benutzt dabei Duftstoffe. Bienen und Wüstenameisen orientieren sich an der Brechung des Sonnenlichts an der Atmosphäre oder an eingeprägten Gegenständen, wie Felsen in der Wüste. Ohne einen einprogrammierten Weg finden Tiere also ihr Ziel. Diese Intelligenz der Natur lässt sich auch auf Roboter übertragen, um so eine künstliche Intelligenz und autonome Roboter zu kreieren. Spurpheromone sind chemische Substanzen, die von Insekten abgesondert werden, um zum Beispiel kürzeste Wege zu einer Futterquelle zu finden. Sie dienen also der Navigation. Pheromonspur der Ameisen. Es werden zwei Methoden unterschieden. Das erfassen von Pheromonen an 2 unterschiedlichen Stellen und der anschließende Vergleich, welche Stelle eine höhere Konzentration aufweist. Klinotaxis Und das gleichzeitige Erfassen von 2 Stellen und der unmittelbare Vergleich der Pheromonkonzentration. Osmotropotaxis

5 Ameisenalgorithmus: Ameisen nutzen solche Spurpheromone (Osmotropotaxis). Auf Futtersuche nehmen Ameisen unterschiedliche Wege zur Futterquelle hin und sondern dabei Pheromone ab (Laufen Zickzack-artig). Der kürzeste Weg wird dabei von der Ameise am meisten benutzt. Dadurch ist die Pheromonkonzentration auf dem Weg am höchsten. Folglich benutzen die Ameisen den Weg, der am meisten Konzentration aufweist und finden so einen kürzesten Weg. Mögliche technische Umsetzung: Autonome Suchroboter könnten bereits abgefahrene Orte durch Pheromone markieren. Pfadintegration Wüstenameisen oder Bienen erkennen Muster am Himmel, die durch Lichtbrechung entstehen. Dadurch können sie die Himmelsrichtung bestimmen und finden selbst nach hunderten Metern Strecke, zielgenau zu ihrem Nest zurück. Wüstenameise auf Nahrungssuche und Rückweg zum Nest.

6 Mögliche technische Umsetzung: Es gibt bereits Roboter die über Kameras mit Polarisationsfiltern verfügen, die Licht auseinandernehmen und die Werte speichern. Beispiele: Edgar, Sahabot Sahabot mit Polarisationslicht-Kompass und Panoramabildkamera. Phonotaxis Grillweibchen finden Männchen anhand ihres Gesangs. Sie hören über 2 Ohren an den Vorderbeinen das Zirpen des Männchens einer bestimmten Frequenz. Durch die Differenz der beiden Ohren wird die Richtung des Signals festgestellt und das Grillweibchen bewegt sich darauf zu. Ist ein Hindernis im Weg, wird es umgangen und die Phonotaxis wird fortgesetzt. Mögliche technische Umsetzung: Die Phonotaxis wurde anhand von 2 Robotern ( Whegs und Khepera ) technisch umgesetzt. Der Roboter findet anhand von Grillenzirpen sein Ziel. Khepera

7 Chemotaxis Hummer riechen unter Wasser ihre Nahrung über ihre Fühler. Mögliche technische Umsetzung: Der Robolobster ist mit 2 primitiven Riechsensoren und einem Lagemessinstrument ausgestattet. Fängt der Roboter den Geruch von totem Fisch auf, fährt er sofort zum Standort des Fisches. Zukünftlich sollen so Unterwasserminen ausfindig gemacht werden. Landmarkennavigation Wüstenameisen merken sich die Umgebung um ihr Nest herum. Zum Beispiel Felsen oder Kakteen (dienen als Landmarken ) werden als Panoramabild gespeichert. Bei der Rückkehr zum Nest bewegen sie sich so, dass die Unterschiede zum vorher gespeicherten Bild verringert werden. So finden sie zurück zum Nest. Dabei gibt es lokale Landmarken. Zum Beispiel Bäume, Seen, Flüsse. In der Roboterwelt Balken, Markierungen, Muster, Streifen. Und globale Landmarken. Zum Beispiel das oben erwähnte Polarisationsmuster am Himmel. Mögliche technische Umsetzung: Der Sahabot wurde mit einer Panoramabild-Kamera ausgestattet und einem Polarisationslichtfilter. Er wurde zwischen 4 Balken gestellt, machte eine Panoramabild und fuhr anschließend einen Weg raus aus den 4 Balken. Durch Vergleichen des neuen Bildes mit dem gespeicherten Panoramabild und der Winkelberechnung und Berechnung der Größenunterschiede der Balken fand er bis auf 10cm exakt wieder zum Startort zurück. Sahabot orientiert sich an Landmarken.

8 Optische Flussfelder Bewegt sich eine Fliege, sieht sie wie sich das Bild vor ihrem Auge ebenfalls bewegt. Um navigieren zu können, muss die Fliege die Objekte nicht erkennen, anders als bei der Landmarkennavigation. Denn, wenn die Fliege sich bewegt ergeben die einzelnen Bildpunkte in ihrem Auge ein typisches, bewegendes Bild. Bewegt sie sich vorwärts, bewegen sich die Bildpunkte seitlich am Auge vorbei. Bewegt sie sich frontal auf etwas zu, werden die einzelnen Bildpunkte größer. Nahe und weit entfernte Dinge bewegen sich unterschiedlich. Diese Muster werden im Sehzentrum der Fliege verarbeitet und zur Steuerung verwendet. So ist es ihr möglich, möglichst schnell zu reagieren. Mögliche technische Umsetzung: Ein Ziel ist es, intelligente Maschinen zu konstruieren, die zu einer Kooperation mit dem Menschen fähig sind. Bislang haben die Forscher unter anderem einen kleinen Flugroboter entwickelt, der Fluglage und Bewegung durch visuelle Analyse im Computer nach dem Vorbild der Fliegengehirne kontrolliert. Roboter die Bilder erst machen, speichern und dann auswerten sind zu langsam und deshalb zu gefährlich im direkten Umgang mit Menschen.

9 3. Roboter Beispiele 3.1 Roboter - Stabheuschrecke: Die Stabheuschrecke kann auf unebenem Gelände laufen und fällt nicht um, wenn sie mal anhalten muss. Sie diente Wissenschaftlern als Vorbild. Die Bewegungen der einzelnen Beine sind so koordiniert, dass die Fußpunkte von drei Beinen immer ein Dreieck bilden. Der Schwerpunkt des Körpers liegt innerhalb der dreieckigen Fläche. Mit den restlichen Beinen erfolgt die Bewegung vorwärts. Die Beine kommunizieren über neuronale Netze untereinander. Sie werden dezentral von einander gesteuert. Wissenschaftler bauten den Roboter LAURON. Er bewegt jedes Bein unabhängig voneinander. Sensoren geben die Beschaffenheit des Bodens wieder, damit auch größere Hindernisse und Unebenheiten überquert werden können. LAURON

10 3.2 Schwimmende Roboter - Aquapenguin : Die Firma Festo hat einen Roboterpinguin ( Aquapenguin ) gebaut. Der Roboter bewegt sich wie sein Vorbild sehr energieeffizient, durch den strömungsgünstigen Körperbau. Ebenso kann er, durch seinen beweglichen Rumpf und Schwanz, auf engstem Raum manövrieren. Angetrieben wird er durch einen Elektromotor. Die Roboter sind mit einem 3D-Sonar ausgestattet und können sich mit dessen Hilfe autonom orientieren, mit anderen Roboter-Pinguinen kommunizieren und so Kollisionen vermeiden. Eingesetzt werden können diese Pinguine im Meer, durch das sie sich autonom bewegen um zum Beispiel das Verhalten von Meereslebewesen aufzuzeichnen. Aquapenguin 3.3 Fliegende Roboter - Edgar : Als Vorbild für Edgar dienen Bienen. Mit den Facettenaugen finden Bienen immer wieder zu ihrem Bienenstock. Sie erkennen Muster am Himmel, die durch Lichtbrechung entstehen und mit der sie die Himmelsrichtung bestimmen können. Der Flugroboter ist über Kameras mit Polarisationsfiltern, die Licht auseinandernehmen ausgestattet. Sie sollen der Navigation dienen.

11 Ebenso soll noch eingebaut werden, dass der Roboter Fotos der Umgebung speichert und auswertet, wenn sich etwas verändert, um darauf zu reagieren. Zum Beispiel das Ändern der Flugroute. Der Roboter soll so selbständig über ein Gebiet fliegen können um zum Beispiel im Rettungseinsatz Bilder aufzuzeichnen oder Verletzte zu finden. Edgar am Boden. - Delfly : Der Delfly ähnelt einer Libelle, hat eine Flügelspannweite von 30cm (Seine Nachfolger nur noch 20cm und 10cm) und wiegt nur wenige Gramm. Gebaut wurde er aus Spezialfolien und Kohlefaserstäbchen. Ein Elektromotor treibt den Delfly an. Ausgestattet ist der Delfly mit einer Kamera, die weniger der Überwachung dienen soll, sondern eher dem zukünftigen autonomen steuern. So kann er selbstständig, ungesteuert in der Luft bleiben, Hindernissen ausweichen und Abstand zu Wänden halten. Er kann bei Rettungseinsätzen, Räume erkunden und aufzeichnen. Delfly

12 4. Quellen [1] object_id= Buch: Das Ameisenpatent - Ralf Möller