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Besondere Fähigkeiten bei Roboter gefunden: Er hat Bewusstsein

Wissenschaftler der Universität Bielefeld haben bei dem von ihnen entwickelten Roboter besondere Fähigkeiten gefunden: Diese deuten darauf hin, dass der Roboter ein Bewusstsein entwickelt hat.

Für Menschen ist es normal: Taucht ein Problem auf, denken sie über unterschiedliche mögliche Handlungsschritte nach, erproben in Gedanken deren Konsequenzen und entscheiden sich dann für eine Vorgehen. Seit Anfang 2011 arbeiten Forscher der Universität Bielefeld daran, dass auch Roboter dieses Probehandeln durchführen können.

Um ihr Ziel – einen Roboter der Probehandeln kann – zu erreichen, haben die Forscher ein reaktives System auf Insektenbasis entwickelt. Der Roboter mit Namen Hector ähnelt einer Stabheuschrecke und reagiert auf Umweltreize, er kann also zum Beispiel über einen Stein klettern, wenn dieser im Weg liegt. Das Neue an Hector: Die Forscher haben sein System um kognitive Komponenten erweitert. Der Heuschrecken-Roboter kann so beispielsweise neue Verhaltensweisen erfinden und das Probehandeln erlernen. Dieses vollzieht der Roboter dann, wenn ein Problem auftritt, das das reaktive System nicht lösen kann – dann schaltet sich Hectors kognitives System dazu, sodass der Roboter unterschiedliche Verhaltensweisen durchspielt und überlegt, welche Handlungsoptionen bestehen. Ganz nach dem Motto: Erst denken, dann handeln.

Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können. Foto: Universität Bielefeld
Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können.
Foto: Universität Bielefeld

„Der Bau von Roboter Hector ist noch nicht ganz abgeschlossen, aber die Simulation, das heißt sein virtuelles Gegenstück am Computer, ist zu 90 Prozent fertiggestellt“, sagt Professor Dr. Holk Cruse, einer der beteiligten Forscher. „In der Theorie sind wir uns also schon sehr sicher, dass Hector Probehandeln kann.“ Am Projektende soll auch der reale Roboter – der bislang noch nicht vollständig fertiggestellt ist – zeigen können, dass er das Probehandeln beherrscht. „Nachdem wir unser Basisziel erreicht hatten, haben wir geschaut, was der Roboter noch kann. Dabei ergab sich, dass er gewisse emergente Fähigkeiten entwickelt hat, die auf ein Bewusstsein hindeuten“, so Cruse. „Emergent sind Eigenschaften dann, wenn sie nicht in das System eingebaut wurden, schließlich aber trotzdem vorhanden sind.“

Bislang ist die Annahme verbreitet, dass derartige emergente Eigenschaften, zu denen unter anderem die Kontrolle der Aufmerksamkeit und eben auch das Bewusstsein gehören, nur in komplexen Systemen möglich sind. „Unsere Forschung zeigt, dass auch weniger komplexe Systeme höhere Fähigkeiten entwickeln können“, sagt Malte Schilling, Forschungspartner von Holk Cruse. Zu den Aspekten von Bewusstsein, die der Roboter entwickelt hat, zählen unter anderem Intentionen sowie die sogenannte globale Zugänglichkeit. Intentionen bezeichnen Zustände, bei denen das ganze Verhalten einem Ziel – beispielsweise der Futtersuche – untergeordnet ist. Mit globaler Zugänglichkeit ist gemeint, dass Gedächtniselemente zugänglich sind, auch wenn gerade etwas anderes gemacht wird. Beispielsweise ist jemand der läuft, trotzdem in der Lage nachzudenken und nebenbei noch etwas anderes zu machen. „Diese und weitere Aspekte von Bewusstsein, die wir bei Hector finden konnten, sind sozusagen Abfallprodukte der eigentlichen Forschungsarbeit – allerdings sehr interessante“, sagt Cruse. „Sie zeigen, dass wichtige Eigenschaften des Bewusstseins auch bei sehr kleinen Gehirnen, und eben auch in künstlichen Systemen, vorkommen können“, sagt Cruse. (Quelle: idw)

Buchtipps:

Intelligente Roboter: Horror oder Segen?

Heidelberg. Roboter – das sind doch diese geschwätzigen, blinkenden Blechdosen? Oder tumbe Maschinenmenschen, die nichts können, als mit sehr eckigen Bewegungen dem in sie einprogrammierten Killerbefehl zu folgen? Oder – außerhalb des Kinos – diese überaus beweglichen Geräte, die in der Autoproduktion schwere Arbeiten mit größter Präzision verrichten, aber statt eines Kotflügels mit Gleichmut auch einen Menschen lackieren oder anschweißen würden, der ihnen versehentlich in die Finger gerät?

Alles falsch. Die modernen Roboter sind überaus feinfühlig und krümmen niemandem ein Haar, es sei denn, das wäre ihre Aufgabe; denn sie haben einen perfekten Überblick über ihre Umgebung. So beschreibt es Gerd Hirzinger in einem umfangreichen Artikel in “Spektrum der Wissenschaft” – und er muss es wissen: Hirzinger war 20 Jahre lang Chef des Instituts für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen, das seinerseits zum Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gehört.

Aus seinem Institut stammen so erstaunliche Entwicklungen wie das System MiroSurge, das in der minimal-invasiven Chirurgie die Instrumente präziser und zitterfreier führt, als der Arzt selbst es könnte. Der wiederum bewegt anstelle der Instrumente Handgriffe zur Fernsteuerung – aber die lassen ihn den Widerstand spüren, den das Gewebe auf die echten Instrumente ausübt. Zugleich sieht er auf dem großen Bildschirm, was die Mikrokamera vom Operationsfeld zeigt, und wird damit eingebettet in eine virtuelle Realität, in der er besser sehen und arbeiten kann als in der echten.

Die Roboter aus Hirzingers Werkstatt haben einen menschenähnlichen Oberkörper, und die neuesten Modelle können sogar auf zwei Beinen laufen. Wichtiger noch: Alle ihre “Muskeln” und “Gelenke” sind drehmomentgesteuert. Jede Bewegung wird wie beim Menschen von einem Paar antagonistischer (gegeneinander arbeitender) Muskeln ausgeführt und zugleich die dabei ausgeübte Kraft – genauer: das Drehmoment – gemessen. Dadurch kann der Roboter seine Kräfte so präzise dosieren, dass er ein rohes Ei oder eine gefüllte Kaffeetasse heil von A nach B bringt; und er lässt sich von einem erfahrenen Menschen die Hände führen und lernt dadurch diese Bewegung.

In der Autofabrik muss man ihn nicht mehr in den früher üblichen Käfig stecken; denn aus den beiden Digitalkameras in seinen “Augen” errechnet er in Echtzeit ein räumliches Bild seiner Umgebung und vermeidet mit dessen Hilfe jede Kollision.

Dieselbe Technik verhilft auch einem Elektroauto namens “ROboMObil”, sich ohne Fahrer unfallfrei durch den Verkehr zu bewegen; diesmal mit 18 rundum verteilten Kameras. Und von dort bis zum autonomen unbemannten Fluggerät – Flugzeug, Hubschrauber oder “Quadrocopter” (Rahmen mit vier Propellern) – ist es nicht mehr weit. Ein unter dem Hubschrauber montierter Greifarm liefert Lebensmittel und Verbandszeug an in Not geratene Bergsteiger oder repariert sogar eine Hochspannungsleitung.

Natürlich haben die Robotiker vom DLR derart komplexe Systeme nicht von Grund auf neu entworfen. Es gab einfachere Vorläufer, und deren Arbeitsplatz war – der Weltraum. Dringender als auf der Erde ist dort der Bedarf nach einem “Monteur”, der nicht essen oder atmen muss und dem extreme Hitze oder Kälte nicht viel ausmacht. Aber einigermaßen selbstständig arbeiten muss er schon können, vor allem auf dem Mars. Wenn ein Funksignal hin und zurück eine Viertelstunde unterwegs ist, würde eine Fernsteuerung von der Erde aus eine sehr zähe Veranstaltung.

Für den Einsatz im Weltraum haben die Techniker gelernt, jedes Gramm Gewicht einzusparen – die Kosten für den Transport per Rakete sind immens. Diese Erfahrungen machen sich nun auf der Erde bezahlt. Je leichter der Arm ist, desto eleganter kann der Roboter ihn schwingen. “Aber die Roboter nehmen uns doch die Arbeitsplätze weg!”
Gegen diesen häufig geäußerten Einwand weiß Hirzinger ein schlichtes Gegenargument anzuführen: Der Automobilindustrie, die massiv die mechanischen Helfer einsetzt, geht es hierzulande noch ganz gut, während die Unterhaltungselektronik-Industrie, die solches nie ernsthaft versucht hat, inzwischen fast vollständig nach Fernost abgewandert ist.

Und die Horrorszenarien aus der Science-Fiction, in denen die Roboter dank ihrer überlegenen Körperkraft und Intelligenz die Weltherrschaft übernehmen? Die sind so weit entfernt, dass es darüber nicht nachzudenken lohnt. Oft genügt ein geringfügiger Wechsel der Umgebungsbeleuchtung, um einen Roboter aus dem Konzept zu bringen. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2013)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Funktioniert unser Langzeitgedächtnis digital?

Der Hippocampus ist eine Struktur im Gehirn, die maßgeblich dafür verantwortlich ist, dass wir uns längerfristig erinnern. Personen, deren Hippocampus zerstört ist, vergessen umgehend Situationen, die sie gerade erlebt haben, oder Mitmenschen, die sie kurz zuvor gesehen haben. „Bisher nahmen wir an, dass die Informationsspeicherung im Hippocampus von der Stärke der dortigen Nervenzellverbindungen, den Synapsen, abhängig ist“, sagt Prof. Dr. Thomas Oertner, Direktor des Instituts für Synaptische Physiologie am ZMNH. Synapsen sind die Strukturen, mit denen eine Nervenzelle in Kontakt zu einer anderen Zelle, etwa einer Sinnes-, Muskel-, Drüsen- oder Nervenzelle steht. Sie dienen der Übertragung von Informationen und spielen eine wichtige Rolle bei deren Speicherung. Für ein funktionierendes Langzeitgedächtnis, so die gängige Lehrmeinung, müssen die Zellverbindungen stark sein und unbegrenzt stabil bleiben. Dieser Prozess wird als „long-term plasticity“ bezeichnet und ist seit mehreren Jahren ein zentrales Thema der neurobiologischen Forschung.

Das Team um Prof. Oertner ist jetzt zu neuen, anderen Ergebnissen gekommen. Mit experimentellen Tricks beeinflussten sie synaptische Verbindungen so, dass diese Informations-Autobahnen quasi in Tempo 30-Zonen umgewandelt wurden. „Wir haben die Stärke der Synapsen drastisch reduziert und die Zellverbindungen dann weiter beobachtet“, erläutert Prof. Oertner. Das Ergebnis nach sieben Tagen war verblüffend. „50 Prozent der manipulierten Synapsen lösten sich auf, die anderen 50 Prozent kehrten in den Ausgangszustand zurück“, sagt Dr. Simon Wiegert aus dem ZMNH, Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie. „Eine stabile Langzeitveränderung der Synapsen gibt es offenbar nicht. Demnach muss das Langzeitgedächtnis auch anders als bislang angenommen funktionieren.“

Die Studie legt den Wissenschaftlern zufolge den Schluss nahe, dass das Gehirn ähnliche Strategien wie ein digitaler Computer verwendet, um Informationen über lange Zeiträume zu speichern. Dabei speichert der Hippocampus zunächst Information in „analoger“ Form, indem die Stärke der Synapsen verändert wird. Doch dieser Zustand ist instabil. Nach wenigen Tagen wird diese analoge Speicherung durch eine „digitale“ Form der Speicherung ersetzt – einige Synapsen fallen aus, andere kehren in den Ausgangszustand zurück. „Digitale Speicherung ist wesentlich weniger anfällig für langsamen Zerfall. Das könnte erklären, wieso wir uns an Schlüsselerlebnisse aus Kindheit und Jugend bis ins hohe Altern erinnern“, so Dr. Wiegert.

Für ihre Arbeit nutzen die Grundlagenforscher ein sogenanntes Zwei-Photonen-Mikroskop, um funktionelle Messungen an einzelnen Synapsen in intaktem Gewebe durchzuführen. Diese neue Technik erlaubt es den UKE-Wissenschaftlern erstmals, Nervenzellen im Labor über mehrere Tage hinweg kontinuierlich bei der Arbeit zu beobachten. (Quelle: idw)

Literatur:
J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner: Long-term depression triggers the selective elimination of weakly integrated synapses. PNAS 2013 ; published ahead of print November 4, 2013.

J. Simon Wiegert and Thomas G. Oertner (2011) Dendritische Spines: Dynamische Bausteine des Gedächtnisses. Neuroforum 1/11: 12-20.

Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Neue Methoden zum Nachweis von Bewusstsein


Neue Tests helfen festzustellen, wie viel Patienten im Wachkoma von ihrer Umgebung wahrnehmen.

Neuropsychologen der Universitäten Tübingen und Heidelberg haben eine Serie neuer Tests entwickelt, mit denen sich genauer untersuchen lässt, ob Wachkomapatienten bei Bewusstsein sind. Darüber berichten die Forscher Boris Kotchoubey und Simone Lang in der Ausgabe des Magazins Gehirn&Geist (9/2011).

Wachkoma, Schmerz und Empathie
Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren lassen sich mit der neuen Methode auch grundlegende Aspekte des Bewusstseins prüfen, beispielsweise Schmerzempfinden oder ein intaktes Arbeitsgedächtnis. Schon 2009 stellte der britische Neurologe Adrian Owen eine Methode vor, mit der er nachgewiesen hatte, dass eine junge Komapatientin bei Bewusstsein war. Die Frau erhielt im Hirnscanner liegend über Kopfhörer Anweisungen vom Forscher. Anhand der Hirnaktivität konnte Owen erkennen, dass die Betroffene ihn verstanden hatte.

Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass die Patienten noch in der Lage sind, Sprache zu verstehen. Bewusstsein sei jedoch auch ohne Sprache denkbar, kritisieren Kotchoubey und Lang in Gehirn&Geist. Ihre einfacheren Tests zielen daher auf den Nachweis von Schmerzempfinden oder Gedächtnisleistungen. Insbesondere die Frage, ob die Betroffenen in der Lage sind, Schmerzen zu verspüren, sei von großer Bedeutung. Denn oftmals debattierten Angehörige und Ärzte darüber, ob sie die lebenserhaltenden Maßnahmen abschalten sollten.

Im Wachkoma, auch vegetativer Zustand genannt, haben die Betroffenen zwar meistens die Augen geöffnet, zeigen aber keine äußeren Anzeichen von Bewusstsein. Ursachen sind meist schwere Hirnschäden, die durch Unfälle, Sauerstoffmangel (etwa nach einem Herzstillstand) oder durch Schlaganfälle entstehen können. (Quelle: Gehirn&Geist, September 2011)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

WM-Sieg des deutschen Robo-Fußballteams

Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Foto: Uni Bonn

Beim RoboCup 2011, der am Sonntag in Istanbul zu Ende ging, konnten die Fußballroboter vom Team NimbRo der Universität Bonn ihren Weltmeistertitel in der TeenSize-Klasse der Humanoid-Liga verteidigen. Auch die Serviceroboter gewannen in der @Home-Liga mit klarem Vorsprung.

Nachdem die deutschen Fußballfrauen bei der FIFA-WM gegen Japan ausgeschieden sind, war es nun an humanoiden Fußballrobotern, ihren Weltmeistertitel zu verteidigen. Die Roboter Dynaped und Bodo des Bonner Teams NimbRo trafen am Sonntag im Finale des RoboCup 2011 in Istanbul auf das Team KMUTT aus Thailand. Die Bonner Roboter waren dem Gegner klar überlegen. Obwohl der thailändische Torwart viele Schüsse halten konnte, erzielte der Bonner Feldspieler Dynaped Tor um Tor. Nach einem Halbzeitstand von 6 : 0 endete das Finale vorzeitig beim Stand von 10 : 0 für NimbRo.

Auch die Bonner Haushaltsroboter konnten sich in der @Home-Liga gegen eine starke Konkurrenz durchsetzen. Die Roboter Dynamaid und Cosero gingen schon beim ersten Test in Führung. NimbRo punktete in fast allen Tests der Vor- und Zwischenrunde und ging so mit einem komfortablen Vorsprung ins Finale. Dort stellte Cosero unter Beweis, dass er sogar einen Tisch mit einem Menschen tragen kann. Der Benutzer gab dabei die Richtung vor und führte den Roboter intiutiv durch Drücken und Ziehen am anderen Ende des Tisches. Dass er ein prima Helfer im Haushalt sein kann zeigte Cosero, indem er ein Omelett in einer Pfanne zubereitete. Dynamaid holte ein Getränk aus dem Kühlschrank. Dies überzeugte die internationale Experten-Jury. NimbRo gewann mit Abstand vor dem chinesischen Team WrightEagle.

Cosero making OmletIn der @Home-Liga mussten die Roboter zeigen, dass sie im Haushalt wichtige Aufgaben erfüllen können, etwa Personen und Objekte zu erkennen sowie Gesten richtig zu interpretieren. 19 Teams aus 14 Ländern traten in Istanbul in dieser Disziplin an. Bei den Fußballwettbewerben in der Humanoid-Liga des RoboCup geht es dagegen darum, mit Hilfe von Kameras die Spielsituation zu erfassen und im Team darauf zu reagieren. Herausforderung sind etwa auch die zügige Fortbewegung auf zwei Beinen und die Balance beim Schuss.

„Besonders freut mich der erstmalige Gewinn der @Home-Liga“, sagt Professor Dr. Sven Behnke, dessen Arbeitsgruppe Autonome Intelligente Systeme am Institut für Informatik VI die menschenähnlichen Fußballroboter und Serviceroboter entwickelt. In dieser Liga werden Technologien ersonnen, die in Zukunft dazu beitragen können, dass ältere oder hilfsbedürftige Menschen länger selbstbestimmt in der eigenen Wohnung leben können.

Die internationalen Wettbewerbe, die jährlich von der RoboCup-Federation veranstaltet werden, bringen tausende Forscher aus den Gebieten Künstliche Intelligenz und Robotik zusammen. Insgesamt nahmen in Istanbul über 400 Teams mit mehr als 2 800 Personen aus aller Welt in unterschiedlichen Ligen teil. Der Wettbewerb erlaubt den Wissenschaftlern den direkten Vergleich unterschiedlicher Ansätze in der Roboterkonstruktion, in der Umgebungswahrnehumg und der Verhaltenskontrolle. Im Anschluss findet ein wissenschaftliches Symposium statt, das den Austausch der besten Ideen fördert. (Quelle: idw, Foto oben: Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Uni Bonn ; Foto mitte: Service-Roboter Cosero von der Universität Bonn backt in einer Pfanne ein Omelett. (c) Uni Bonn)

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Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können