Bauen, erleben, begreifen: fischertechnik®-Roboter mit Arduino (eBook)

Zur Einführung

Eine kurze Geschichte der Roboter

Spätestens seit der Antike träumt der Mensch davon, etwas Künstliches zu schaffen, das Tätigkeiten automatisch ausführt und so den Eindruck erweckt, dass es lebt oder mittels »magischer Kräfte« funktioniert. So beschrieb schon Heron von Alexandria (1. Jhd. n. Chr.) in seinem Werk »Pneumatika« neben anderen einen Mechanismus, der automatisch die Türen eines Tempels öffnete, sobald ein Opferfeuer auf einem Altar angefacht wurde (Abb. E–1) [1].

Abb. E–1Die »automatischen« Tempeltüren nach Heron von Alexandria

Viele der Schau- und astronomischen Uhren an Kirchen und Rathäusern erhielten ab dem 14. Jahrhundert Schlag-, Spiel- und Automatenwerke, die zur vollen Stunde ausgelöst wurden und eine große Wirkung auf die Zuschauer ausübten. So kräht seit 1530 an der Berner Zytglogge ein Hahn vier Minuten vor dem Stundenschlag und schlägt mit den Flügeln; in der Folge dreht ein Bärenzug seine Runde und ein Narr schellt an zwei über ihm hängenden Glocken (Abb. E–2). Ein ähnlicher Hahn fand sich schon an der ersten Uhr des Straßburger Münsters aus dem Jahr 1353.

Abb. E–2Figurenspiel an der Berner Zytglogge aus dem Jahr 1530

Leonardo da Vinci (1452-1519) konstruierte im 15. Jahrhundert zahlreiche Maschinen, die in Theatern und Fürstenhöfen Volk und Adel beeindruckten, darunter bewegliche Ritterrüstungen und auch ein Fahrzeug, das sich, von zwei Federn angetrieben, selbstständig fortbewegte (Codex Atlanticus, ca. 1478-1480, Abb. E–3). Für den französischen König Franz I. entwickelte er im Jahr 1516 einen mechanischen Löwen, der auf den König zulief, sich auf die Hinterläufe setzte und aus seinem Maul oder Brustkorb Lilien vor dessen Füße fallen ließ.

Die Leistungsfähigkeit solcher Konstruktionen war allerdings begrenzt, denn es existierten nur simple Energiespeicher (wie z. B. Federn, Gewichte oder Wasserdruck). Zudem erlaubte die aus Holz realisierte grobe Mechanik nur sehr einfache Steuerungen. Mit der Entwicklung von verschleißarmen Metallgetrieben für Turmuhren und den Fortschritten in der Feinmechanik wurden komplexere Getriebe in deutlich geringerer Größe und mit weit weniger Reibungsverlusten möglich. Eine Blütezeit erreichten solche mechanischen Automaten im 18. Jahrhundert. So konstruierte z. B. Jacques de Vaucanson (1709-1782) im Jahr 1738 eine schnatternde, fressende, trinkende, verdauende und schwimmende mechanische Ente (Abb. E–4).

Weltberühmt wurde der vorgeblich humanoide Schachautomat von Wolfgang von Kempelen (1734-1804) aus dem Jahr 1769 (Abb. E–5). Über mehrere Jahrzehnte blieb seine Funktionsweise ein Geheimnis, was die öffentliche Diskussion und die Fantasie der Menschen stark anfachte. Auch wenn der Automat tatsächlich durch einen kleinwüchsigen Menschen gesteuert wurde, war dieser Apparat ein mechanisches Bravourstück, der das Gebiet stark beflügelte. Eine weit größere, aber viel weniger bekannte Leistung von Kempelens war die Konstruktion einer Sprechmaschine im Jahr 1791 – der erste funktionsfähige Sprachsyntheseapparat überhaupt.

Abb. E–3Leonardo da Vincis Konstruktion eines federgetriebenen Fahrzeugs (Codex Atlanticus) [2]

Abb. E–4Mechanische Ente mit Verdauungsapparat von Jacques de Vaucanson

Abb. E–5Versuch einer Nachbildung des Schachtürken von Wolfgang von Kempelen durch Joseph Friedrich von Racknitz (1789)

Mit der Dampfmaschine von James Watt (1736-1819) aus dem Jahr 1784 mit Planetengetriebe erhielt die Menschheit im ausgehenden 18. Jahrhundert die erste – und lange ersehnte – von Ort und Zeit unabhängige Kraftmaschine, den ersten Motor [3].

Wenig später, im Jahr 1805, stattete Joseph-Marie Jacquard (1752–1834) den 20 Jahre zuvor von Edmund Cartwright (1743-1823) erfundenen mechanischen Webstuhl mit einer Lochkartensteuerung aus – und baute damit den ersten »programmierbaren Automaten« (Abb. E–6). Mit Jacquards Webstuhl erreichte die Automation eine neue Stufe: Zum ersten Mal hatte ein Automat einen echten Zweck und Nutzen jenseits davon, Menschen zu unterhalten oder zu beeindrucken.

Abb. E–6Modell des Jacquard-Webstuhls im Musée des Arts et Métiers (Paris)

Die Vorstellung, dass technische Automaten dem Menschen unangenehme, monotone, harte oder gefährliche Arbeiten abnehmen können, war entscheidend für den modernen Begriff »Roboter«. Er wurde 1920 vom tschechischen Künstler Josef Čapek (1887-1945) für die künstlichen Menschen im Theaterstück R.U.R. seines Bruders Karel Čapek (1890-1938) geprägt: »Robota« ist das tschechische Wort für »Zwangsarbeit« oder »Frondienst«.

Der wirkliche Durchbruch für die Entwicklung nützlicher und flexibel einsetzbarer Roboter gelang jedoch erst mit der Entwicklung des Computers und dessen anschließender kontinuierlicher Miniaturisierung. Durch die Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) im Jahr 1958/1959 durch Jack Kilby (1923-2005) und Robert Noyce (1927-1990) und die Entwicklung des Mikroprozessors im Jahr 1970 wurden sehr flexible, leichte, schnelle und verschleißfreie, vor allem aber programmierbare Steuerungen möglich.

In den vergangenen 50 Jahren wurden Energiespeicher, Steuerungen und Antriebe so leistungsfähig, klein und bezahlbar, dass Roboter den Menschen inzwischen zahlreiche komplexe Tätigkeiten abnehmen können. Heute durchdringen Roboter immer mehr Lebensbereiche. Moderne Produktionsanlagen sind ohne Roboter schlichtweg undenkbar geworden. Sie verrichten Tätigkeiten exakter, ohne Pausen und meist wesentlich schneller als Menschen – und sind dabei auch noch günstiger. Durch Roboter bleibt die Produktion auch in einem Hochlohnland wie Deutschland wirtschaftlich und ist die Herstellung vieler Präzisionsprodukte überhaupt erst möglich. Roboter sind daher eine moderne Ausprägung des zentralen Ziels aller menschlichen Erfindungsgabe: der Verbesserung unserer Lebensumstände.

Zunehmend werden Roboter auch für Arbeiten in für Menschen tödlichen Umgebungen eingesetzt. Denn Roboter brauchen keinen Sauerstoff und können, bei geeigneter Konstruktion, weit höhere Temperaturen, Strahlungen und Drücke als Menschen ertragen. Sie arbeiten auch im Wasser, im All oder in verseuchtem Gelände zuverlässig. Daher werden sie auch als Lebensretter und Mechaniker eingesetzt – sie können Verschüttete bergen und Bomben entschärfen. Und schließlich können Roboter einige Dinge sogar deutlich besser als Menschen: Sie erkunden als fliegende Drohnen Gegenden aus jeder Höhe und Perspektive oder tauchen in sehr große Tiefen. Auch Rechenleistung und Reaktionsfähigkeit sind größer und schneller als die eines Menschen: Inzwischen spielen sie besser Schach, gewinnen im Tischtennis und sind gerade dabei zu beweisen, dass sie die besseren Autofahrer sind. Auch als Assistenten in der Medizin bewähren sie sich: Sie sind feiner steuerbar als Menschenhände, arbeiten immer konzentriert und ermüden nicht.

Neben der Verfeinerung der mechanischen Konstruktion und immer leistungsfähigeren, schnelleren und kleineren Mikroprozessoren für die Steuerung sind es vor allem hochauflösende Sensoren und ausgefeilte Algorithmen, z. B. zur Bildauswertung, die diese Leistungen möglich machen. In die Entwicklung eines Roboters fließen daher zahlreiche Spezialkenntnisse ein: Nur ein abgestimmtes Zusammenspiel von Mechanik, Programmierung, Sensorik und Elektronik führt zum gewünschten Ergebnis. Dabei helfen auch Erkenntnisse aus der Biologie (Stichwort »Bionik«): Viele Lebewesen haben optimierte Bewegungsapparate ausgebildet, die heute als Vorbild für die Konstruktion von Robotern dienen – z. B. für deren Aerodynamik oder die Bewegungssteuerung.

fischertechnik-Roboter

Roboter sind – das belegen zahlreiche MINT-Initiativen und Wettbewerbe – für viele Jugendliche und an Technik interessierte Junggebliebene ein faszinierender Einstieg in MINT-Themen. Sie eignen sich auch aus einem weiteren Grund als Thema von MINT-Projekten: Um einen Roboter »zum Leben« zu erwecken, braucht man Kenntnisse aus allen vier MINT-Bereichen: Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik. An einem Roboter lässt sich daher auf hervorragende Weise und ganz konkret der praktische Nutzen dieser Kenntnisse vermitteln.

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