Der Griff nach der Wirklichkeit

//von Adrian von Ferenczy

Warum sich die Zukunft humanoider Roboter nicht an ihren Beinen, sondern an ihren Händen entscheidet

Roboter laufen Treppen hinauf, vollführen Rückwärtssalti und tanzen in Formationen. Die Bilder sind spektakulär. Doch über den wirtschaftlichen Nutzen einer Maschine entscheidet keine Choreografie.

Entscheidend ist, ob sie einen Schlüssel vom Tisch nehmen, eine Flasche öffnen, ein Kabel einstecken, ein Werkzeug wechseln oder ein zerbrechliches Glas abstellen kann, ohne es zu zerdrücken. Genau an diesen scheinbar alltäglichen Tätigkeiten scheitern viele hochentwickelte Systeme noch immer.

Der Roboterentwickler Rob Knight beschäftigt sich seit rund zwei Jahrzehnten mit humanoiden Maschinen und künstlichen Händen. In einem ausführlichen Interview mit Humanoid.guide beschreibt er die Hand als den schwierigsten Teil einer ohnehin außergewöhnlich schwierigen technischen Aufgabe.

Das klingt zunächst überraschend. Schließlich wirken Beine, Gleichgewichtssysteme und die Koordination eines ganzen Roboterkörpers erheblich komplizierter als fünf Finger. Tatsächlich aber verdichtet sich in einer Hand fast alles, was einen Roboter anspruchsvoll macht: Mechanik, Antriebe, Sensoren, Kraftübertragung, Materialkunde und Steuerungssoftware – untergebracht auf kleinstem Raum.

Eine menschliche Hand verbindet Beweglichkeit, Kraft und Empfindlichkeit. Sie kann einen schweren Koffer tragen und Sekunden später eine Nadel aufnehmen. Sie passt ihren Griff an, sobald ein Gegenstand verrutscht. Haut, Gelenke, Sehnen, Muskeln und Nervensystem arbeiten dabei zusammen, ohne dass der Mensch über jeden einzelnen Vorgang nachdenken muss.

Diese Fähigkeiten technisch nachzubauen, erfordert erheblich mehr als fünf bewegliche Finger. Jeder Finger benötigt mehrere Bewegungsachsen. Die Hand muss unterschiedliche Kräfte dosieren, Reibung erkennen und auf Veränderungen reagieren. Gleichzeitig darf sie nicht so schwer werden, dass jede Berührung mit ihr zum Sicherheitsrisiko wird.

Knights offenes Entwicklungsprojekt DexHand zeigt, wie weit dieser Ansatz inzwischen gekommen ist. Die erste Version besitzt nach Angaben seines Unternehmens 19 aktiv angetriebene Bewegungsachsen. Die Bauteile sollen sich mit Zugang zu einem 3-D-Drucker für etwa 300 US-Dollar herstellen lassen. Das Projekt ist ausdrücklich als offene Forschungsplattform angelegt, die weiterentwickelt und für unterschiedliche Aufgaben angepasst werden kann. Die Angaben sind auf den Projektseiten von The Robot Studio y DexHand dokumentiert.

Der niedrige Einstiegspreis darf allerdings nicht mit industrieller Einsatzfähigkeit verwechselt werden. Zwischen einer Hand, die im Labor beeindruckende Bewegungen ausführt, und einem System, das monatelang in einer Fabrik, einem Krankenhaus oder einem Haushalt arbeitet, liegt ein beträchtlicher Entwicklungsschritt.

Sehnen die gegen Motoren antreten

Ein zentrales Problem ist die Kraftübertragung. Kleine Elektromotoren, die direkt in den Fingern sitzen, benötigen Getriebe. Sollen sie zugleich stark sein, beanspruchen sie viel Platz und machen die Finger schwer und klobig.

Knight setzt deshalb auf einen Mechanismus, der der menschlichen Anatomie ähnelt: Die Motoren befinden sich im Unterarm, die Kraft wird über künstliche Sehnen zu den Fingern übertragen. Dadurch bleibt die Hand leichter und kann mehr Bewegungsachsen aufnehmen.

Das Prinzip hat jedoch seinen Preis. Sehnen können sich längen, verschleißen oder an Umlenkrollen beschädigt werden. Ihre Spannung muss kontrolliert und gegebenenfalls nachgestellt werden. Schmutz, Reibung und Wärme verkürzen die Lebensdauer. Die Natur löst diese Probleme mit biologischem Gewebe, Schmierung und permanenter Regeneration. Der Maschinenbau muss dafür technische Ersatzlösungen finden.

Es handelt sich deshalb nicht um die Wahl zwischen einer guten und einer schlechten Konstruktion. Es ist ein Zielkonflikt: Motoren in der Hand vereinfachen die Kraftübertragung, erhöhen aber Gewicht und Volumen. Seilzüge ermöglichen leichtere und beweglichere Finger, schaffen dafür neue Verschleiß- und Wartungsprobleme.

Der Roboter muss fühlen

Die nächste Hürde ist der Tastsinn. Eine Kamera kann erkennen, dass eine Tasse auf dem Tisch steht. Sie erkennt aber nicht zuverlässig, ob die Tasse gerade aus den Fingern rutscht, wie fest ihr Material ist oder ob beim Greifen bereits zu viel Druck ausgeübt wird.

Dafür benötigt der Roboter Sensoren in den Fingern und in der Handfläche. Sie müssen Druck, Reibung und möglichst auch kleinste Bewegungen des Gegenstands erfassen. Erst wenn diese Informationen unmittelbar in die Steuerung zurückfließen, kann die Maschine ihren Griff während der Bewegung korrigieren.

Knight sieht deshalb flexible und zugleich robuste Sensorhäute als einen der fehlenden Bausteine. Einzelne Forschungsprojekte können bereits Materialien unterscheiden oder komplexe Griffvorgänge taktil begleiten. Daraus folgt jedoch noch kein preiswertes, belastbares Massenprodukt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen zwar erhebliche Fortschritte, bestätigen aber zugleich, dass die Integration vieler Sensoren und deren Verarbeitung weiterhin zu den zentralen Aufgaben gehört. Ein Beispiel ist die in Science Robotics veröffentlichte Arbeit über adaptives Greifen mit hochauflösenden Tastsensoren.

Selbst Fingernägel sind technisch keineswegs überflüssig. Menschen benutzen sie, um Etiketten abzulösen, Verpackungen zu öffnen oder flache Gegenstände anzuheben. Auch die weiche Handfläche erfüllt eine Funktion: Sie legt sich um einen Gegenstand, vergrößert die Kontaktfläche und stabilisiert den Griff. Eine starre Kunststoffhand kann diese Anpassung nur begrenzt leisten.

Hinzu kommt die Steuerung. Roboter werden zunehmend in virtuellen Umgebungen trainiert. Dort können sie Bewegungen millionenfach wiederholen, ohne Material zu beschädigen. Anschließend soll das Gelernte auf die reale Maschine übertragen werden.

Bei Händen ist dieser Übergang besonders schwierig. Jeder Finger kann an mehreren Stellen Kontakt mit einem Gegenstand haben. Reibung, Materialverformung, Spiel in den Gelenken und die Elastizität der Sehnen verändern das Ergebnis. Bereits kleine Abweichungen zwischen Simulation und Wirklichkeit können dazu führen, dass ein Griff misslingt.

Plattformen wie Nvidias offenes Isaac Lab unterstützen sowohl Imitationslernen als auch Reinforcement Learning. Beim Imitationslernen übernimmt der Roboter menschlich vorgeführte Bewegungsabläufe. Beim Reinforcement Learning verbessert er sein Vorgehen durch wiederholte Versuche und Rückmeldungen. Trotzdem bleibt die realistische Berechnung zahlreicher Kontaktpunkte technisch aufwendig.

Knight sieht deshalb nicht allein die Mechanik als Engpass. Es fehlt aus seiner Sicht noch eine durchgängige Entwicklungskette, in der eine Hand vollständig simuliert, digital optimiert und anschließend mit vorhersehbarem Verhalten gebaut werden kann.

Der 3-D-Druck hat die Entwicklung beschleunigt. Konstruktionen lassen sich innerhalb weniger Stunden verändern und erneut testen. Offene Baupläne ermöglichen es Entwicklern weltweit, bestehende Modelle zu kopieren, zu vergrößern oder an eigene Aufgaben anzupassen.

Auch der von Knight mitentwickelte Roboterarm SO-100 verbreitete sich auf diesem Weg. Sein Nachfolger SO-101 wurde in Zusammenarbeit mit Hugging Face entwickelt und ist auf den Einsatz mit der offenen LeRobot-Software ausgelegt. Baupläne, Stücklisten und Montageanleitungen sind öffentlich zugänglich. Das offizielle GitHub-Projekt verzeichnet mehrere Tausend Nutzerreaktionen und Hunderte Abspaltungen des Quellprojekts.

Für die Massenfertigung hält Knight den 3-D-Druck dennoch nur eingeschränkt für geeignet. Werden nicht einige Hundert, sondern Millionen Hände benötigt, dürften Spritzguss, formgeblasene Kunststoffe und gestanzte Metallteile wirtschaftlicher sein. Die eigentliche industrielle Herausforderung besteht dann nicht mehr im einzelnen Prototyp, sondern in Materialversorgung, Qualitätskontrolle, Reparaturfähigkeit und standardisierten Schnittstellen.

Denkbar sind zwei parallele Märkte: geschlossene Systeme, bei denen Hersteller Hand, Arm, Software und Sensorik vollständig kontrollieren, und ein modularer Markt, in dem unterschiedliche Bauteile verschiedener Anbieter miteinander kombiniert werden können.

Braucht ein Arbeitsroboter überhaupt Beine?

Eine weitere Erkenntnis des Interviews betrifft den Körper unterhalb der Hände. Ein Roboter, der in einer vorhersehbaren Umgebung arbeitet, benötigt möglicherweise gar keine Beine. Eine Plattform auf Rädern ist preiswerter, stabiler und energieeffizienter.

Der humanoide Körper dürfte deshalb nicht automatisch zur wirtschaftlich sinnvollsten Bauform werden. Im repräsentativen Bereich kann eine menschenähnliche Maschine erwünscht sein. Für Reinigungsarbeiten, interne Transporte oder standardisierte Produktionsabläufe kann ein rollendes System mit zwei leistungsfähigen Armen überlegen sein.

Die entscheidende Maschine der kommenden Jahre muss also nicht aussehen wie ein Mensch. Sie muss sich in einer für Menschen gebauten Umgebung zurechtfinden und vorhandene Werkzeuge, Griffe, Türen und Geräte bedienen können. Dafür ist die Hand wichtiger als das Gesicht – und in vielen Fällen wichtiger als die Beine.

Knight verbindet seine Arbeit mit der Hoffnung auf eine Gesellschaft, in der Automatisierung materielle Knappheit weitgehend überwindet. Das ist eine persönliche Zukunftsvorstellung, keine belastbare Prognose.

Roboter können Arbeit verbilligen und gefährliche oder monotone Tätigkeiten übernehmen. Sie beseitigen jedoch nicht automatisch die Knappheit von Energie, Rohstoffen, Kapital, Fläche und Infrastruktur. Ebenso wenig beantworten sie die Frage, wem die Maschinen gehören und wer von ihrer Produktivität profitiert.

Auch konkrete Zeitangaben sind mit Vorsicht zu behandeln. Dass eine Hand in einem Labor eine anspruchsvolle Aufgabe bewältigt, bedeutet nicht, dass sie diese millionenfach, sicher und zu vertretbaren Kosten ausführen kann. In der Robotik entscheidet nicht die beste Vorführung, sondern die Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb.

Dennoch markiert die Entwicklung künstlicher Hände einen möglichen Wendepunkt. Sobald Maschinen Gegenstände sicher erkennen, greifen, ertasten und handhaben können, verlassen sie den Bereich der spektakulären Demonstration. Dann werden sie für Logistik, Produktion, Pflege, Gastronomie, Handwerk und Haushalt wirtschaftlich relevant.

Die Zukunft der Robotik entscheidet sich deshalb nicht daran, ob eine Maschine menschlich aussieht. Sie entscheidet sich an einem sehr alten Werkzeug: der Hand. Erst wenn der Roboter wirklich zugreifen kann, greift er in unseren Alltag ein.