In einem der technologisch fortschrittlichsten Unternehmungen der jüngsten Zeit hat ein Team von Robotern in diesem Sommer fleißig eine simulierte Marslandschaft auf der Erde, genauer gesagt in Deutschland, erkundet, während alle Befehle aus einer Höhe von über 400 Kilometern kamen – von der Internationalen Raumstation (ISS). Der Astronaut, der diese Robotereinheit steuerte, war nicht physisch vor Ort anwesend, sondern schwebte in der Mikrogravitation und verwandelte sich in einen Avatar für die Roboter-Forscher am Boden. Dieses Ereignis markierte den Höhepunkt, die vierte und zugleich letzte Sitzung eines äußerst wichtigen Experiments namens Surface Avatar. Es handelt sich um eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), deren Hauptziel die Entwicklung und Verfeinerung von Methoden war, mit denen Astronauten in Zukunft ganze Teams von Robotern bei der Durchführung komplexer Aufgaben auf der Oberfläche des Mondes und des Mars steuern werden.

Astronaut in der Rolle des Avatars: Menschliche Intuition über der Erde

Im Zentrum dieser komplexen Operation stand der NASA-Astronaut Jonny Kim. Im Columbus-Modul auf der ISS stationiert, verbrachte Kim etwa zweieinhalb Stunden damit, die Roboter-Crew auf der Erde zu steuern. Seine Rolle ging über die bloße Fernsteuerung hinaus; er war das Gehirn der Operation, der wichtigste Entscheidungsträger und Stratege, der die Aktionen der mechanischen Forscher lenkte. Mithilfe einer fortschrittlichen Schnittstelle konnte Kim Aufgaben delegieren, den Missionsfortschritt überwachen und bei Bedarf eingreifen, was zeigt, dass die menschliche Intuition auch im Zeitalter der Hochautomatisierung unersetzlich bleibt. Das gesamte Experiment wurde so konzipiert, dass der Astronaut nur minimale Vorkenntnisse über die Details der Aufgaben hatte, wodurch die Realitätsnähe der Mission auf ein höheres Niveau gehoben und die Fähigkeit des Systems und des Menschen, in unvorhergesehenen Situationen zu improvisieren, getestet wurde.

Das Roboter-Team auf dem 'Mars'

Auf der Erde, in der kontrollierten Umgebung des DLR-Zentrums in Oberpfaffenhofen, die das unwirtliche Gelände des Mars detailgetreu simuliert, befand sich ein vielfältiges Team von vier Robotern, jeder mit seinen eigenen spezialisierten Fähigkeiten. Die Hauptdarsteller waren der humanoide Roboter Rollin' Justin und der vierbeinige Roboter Spot. Rollin' Justin, der Stolz der DLR-Ingenieurskunst, ist ein Humanoide auf Rädern mit zwei äußerst geschickten Armen und Händen mit vier Fingern, der in der Lage ist, Objekte mit großer Präzision zu manipulieren. Seine leichten Kohlefaserarme können eine Last von bis zu 14 Kilogramm pro Arm heben, und er verfügt über ganze 51 Freiheitsgrade, die es ihm ermöglichen, Gegenstände vom Boden und aus einer Höhe von bis zu zwei Metern aufzunehmen. In der Mission war Justin für heikle Aufgaben wie den Transport der gesammelten Proben zum Lander zuständig.

Sein Partner, der ESA-Roboter Spot, ist eine vierbeinige Plattform, die für ihre außergewöhnliche Mobilität und ihre Fähigkeit bekannt ist, sich autonom auf sehr anspruchsvollem und unebenem Gelände zu bewegen. Während Justin eine Mischung aus direkter Steuerung und vorprogrammierten Befehlen benötigte, erhielt Spot die Aufgabe, selbstständig den simulierten Marsboden zu navigieren, Probenbehälter zu finden und deren Standorte zu markieren. Diese Arbeitsteilung ist ein Schlüsselelement des Konzepts der "skalierbaren Autonomie", bei dem der Astronaut-Operator die Rolle eines Supervisors übernimmt und Routineaufgaben an autonome Systeme delegiert, damit er sich auf strategische Entscheidungen und die Problemlösung konzentrieren kann.

Komplexe Missionsszenarien: Testen der Grenzen der Autonomie

Die letzte Sitzung des Surface Avatar-Experiments brachte neue, bisher komplexeste Szenarien. In der ersten Aufgabe koordinierte Jonny Kim Justin und Spot bei einer Mission zum Sammeln verstreuter Probenbehälter. Spot erkundete mit seinen fortschrittlichen Navigationsalgorithmen selbstständig das Gelände und lokalisierte die Ziele. Danach übernahm Kim die Kontrolle über Justin und führte ihn zu den markierten Orten, damit der Roboter mit seinen geschickten Händen die Behälter aufheben und sie sorgfältig zum simulierten Lander transportieren konnte. Diese Synergie testete die Flüssigkeit des Wechsels zwischen autonomem Betrieb und Teleoperation, was für die Effizienz zukünftiger planetarer Missionen entscheidend ist.

Das zweite Szenario war noch anspruchsvoller und darauf ausgelegt, die Fähigkeit des Systems und des Astronauten zu testen, auf unvorhergesehene Ausfälle zu reagieren. In dieser Aufgabe transportierte der ESA-Rover Interact, ein für den Transport konzipiertes Fahrzeug, den DLR-Roboter Bert zum Eingang einer simulierten Marshöhle. Bert ist ein kleinerer, agiler vierbeiniger Roboter, der einem Hund ähnelt und darauf spezialisiert ist, sich in engen und unzugänglichen Räumen zu bewegen, in denen sich größere, mit Rädern ausgestattete Roboter nicht bewegen können. Nachdem Kim mit Hilfe eines der Roboter einen Felsen entfernt hatte, der den Eingang blockierte, schickte er Bert zur Erkundung hinein. Das Experiment beinhaltete jedoch einen geplanten Ausfall – eines von Berts Beinen fiel simuliert aus. In diesem Moment musste Kim in Echtzeit auf Berts System zugreifen und seinen Geh-Algorithmus neu programmieren, um ihm eine neue, dreibeinige Fortbewegungsart beizubringen. Nach erfolgreicher "Rehabilitation" setzte Bert seine Mission in der Höhle fort, wo er erfolgreich simulierte Anzeichen von Eisvorkommen entdeckte und damit die außerordentliche Anpassungsfähigkeit des gesamten Mensch-Maschine-Systems demonstrierte.

Technologie, die Grenzen verwischt: Die Schnittstelle der Zukunft

All diese Interaktion wird durch eine hochentwickelte Steuerungsschnittstelle ermöglicht, die gemeinsam von der ESA und dem DLR entwickelt wurde. Die Arbeitsstation auf der ISS besteht aus einem Laptop mit einer grafischen Missionsanzeige und zwei spezialisierten Controllern. Einer ist ein Joystick mit sieben Freiheitsgraden, der eine intuitive Steuerung der Bewegung und Blickrichtung des Roboters ermöglicht. Der andere, noch fortschrittlichere, ist ein haptisches Gerät. Diese Technologie ermöglicht es dem Astronauten, buchstäblich zu "fühlen", was der Roboter fühlt. Wenn Justins Hand ein Objekt ergriff, spürte Kim an seinem Controller den Widerstand, das Gewicht und die Beschaffenheit dieses Objekts. Diese Übertragung des Tastsinns ist entscheidend für die Durchführung heikler Operationen, die eine Präzision im Submillimeterbereich erfordern. Die Schnittstelle ermöglicht es Kim auch, zwischen einer Ich-Perspektive für ein vollständiges Eintauchen in die Teleoperation und einer Übersichtskarte der Mission aus der Vogelperspektive für eine bessere strategische Überwachung des gesamten Roboterteams zu wechseln. Obwohl das Signal zwischen der ISS und der Erde fast 90.000 Kilometer über Satelliten zurücklegt und eine Verzögerung von etwa 800 Millisekunden verursacht, ist das System so konzipiert, dass es diese Verzögerung kompensiert und eine flüssige und effiziente Steuerung ermöglicht.

Ein Schritt näher zum Mond und zum Mars

In vier erfolgreichen Sitzungen hat das Team des Surface Avatar-Projekts den Ansatz der Mensch-Roboter-Interaktion perfektioniert und sowohl die direkte Teleoperation als auch die Methoden der Aufgabenübertragung an autonome Systeme verbessert. Die Experimente lieferten unschätzbare Daten darüber, welche Aufgaben Astronauten lieber unter direkter Kontrolle ausführen und welche sicher und effizient an die Roboter zur selbstständigen Ausführung übergeben werden können. Die Projektleiter betonen, dass mit diesen Experimenten alle technischen Voraussetzungen für die Steuerung komplexer Robotermissionen auf dem Mars und für die Einrichtung zukünftiger ständiger Forschungsstationen auf dem Mond erfüllt sind. Europa hat mit diesem Projekt eine einzigartige Expertise im Bereich der Weltraumrobotik aufgebaut, und die entwickelten Technologien haben auch potenzielle Anwendungen auf der Erde, in Branchen wie der Kern- oder Offshore-Energiewirtschaft. Der erfolgreiche Abschluss der Surface Avatar-Saga, symbolisch gekrönt durch einen ferngesteuerten Händedruck zwischen Astronaut Kim und dem Projektleiter am Boden über Justins Roboterarm, ist nicht nur eine technologische Errungenschaft, sondern ein klares Zeichen dafür, dass die kollaborative Zukunft von Menschen und Robotern bei der Erforschung des Weltraums bereits begonnen hat.