Aus den USA einen Roboter in Deutschland steuern?

Aus den USA einen Roboter in Deutschland steuern?

CITEC-Wissenschaftler entwickeln gemeinsam mit der Indiana University (USA) ein System mit
dem ein Roboter-Experiment standort-unabhängig wiederholt werden kann

Die sichere und genaue Wiederholung eines wissenschaftlichen Experiments ist in der Forschung elementar. In Naturwissenschaften wie Biologie, Chemie oder Physik gehört es zum Standard, ein Experiment für alle Forschenden wiederholbar zu machen. In der Robotik jedoch steckt die Reproduzierbarkeit noch in den Kinderschuhen. Informatik-Doktorand Florian Lier entwickelt in einer Kooperation zwischen dem Zentrallabor des CITEC und der Forschungsgruppe Cognitive Systems Engineering eine Methodik und entsprechende Werkzeuge, die das Wiederholen von software-intensiven Experimenten mit Robotern ermöglicht. Der Ansatz wird nun innerhalb des thematischen Netzwerk Interaktive intelligente Systeme zusammen mit Wissenschaftlern der Indiana University auch international erprobt.

Mit dem Cognitive Interaction Toolkit kann ein Roboter-Experiment weltweit wiederholt werden. Foto: CITEC/Universität Bielefeld „Wenn ein Roboter in einem Experiment ein Objekt in die Hand nimmt und dieses an eine Person weiterreichen soll, müssen verschiedene sowohl technische als auch methodische Kriterien beachtet werden, wenn ein Experiment an einem anderen Standort exakt reproduziert werden soll“, sagt Florian Lier, der sich in seiner Dissertation mit der Reproduzierbarkeit von software-intensiven Roboter-Experimenten befasst.

„Forschungsergebnisse in der Robotik werden üblicher Weise klassisch als Text veröffentlicht. Hypothesen werden dabei rein formal etwa mathematisch oder datengetrieben durch statistische Analyse belegt beziehungsweise widerlegt“, sagt Lier. „Grundsatzfragen, die wir uns nicht nur in der Robotik, sondern in allen Computer-gestüzten Wissenschaften stellen, lauten: Welche Rolle spielt die verwendete Software bei der Analyse von Daten? Wie stark hängen die veröffentlichten Ergebnisse von der exakten Konfiguration der Soft- und Hardware sowie der Ausführungsumgebung ab? Lassen sich dieselben Ergebnisse mit einer nur leicht abgewandelten Form der Software ebenfalls erreichen?“ Um Antworten auf diese Fragen zu finden, entwickelt Lier mit den Kollegen am CITEC eine Werkzeugkette und einen dazu passenden Entwicklungsprozess für reproduzierbare Experimente im Kontext interaktiver kognitiver Systeme, das sogenannte Cognitive Interaction Toolkit (CITK).

Mit der Werkzeugkette CITK kann ein Roboter-Experiment zunächst technisch reproduziert werden. Neben der technischen Unterstützung bietet das CITK den Wissenschaftlern weitergehende Funktionen, die die automatisierte Wiederholung von Experimenten, die Erzeugung und Verifikation von Teilergebnissen und die Erstellung von finalen Datensätzen umfassen. Dadurch wird es leichter, die Grundlage für Forschungsergebnisse digital zu teilen und Weiterentwicklungen auf vorhandenem Wissen aufzubauen. Teil des Werkzeugsatzes ist auch ein Katalog und verschiedene Archive, in denen bereits gelaufene Projekte abgelegt werden und so, wie in einer Bibliothek, jeder Wissenschaftlerin und jedem Wissenschaftler international zur Verfügung stehen: https://toolkit.cit-ec.uni-bielefeld.de/.

„Wir haben Schritt-für-Schritt-Anleitungen erstellt, mit deren Hilfe jeder Forschende schnell und einfach die Daten herunterladen und eine identische Softwareumgebung, also einen Teil des Versuchsaufbaus, herstellen kann“, sagt Florian Lier. So kann eine Forschungsgruppe in den USA zum Beispiel auf die gleiche Weise wie in Bielefeld die technische Grundlage für ein Roboter-Experiment schaffen.

Neben der technischen Seite, gibt es natürlich auch noch die menschliche Komponente: Was die Probandin oder der Proband in einem Experiment tun soll, ist über die Plattform „jspsych“ geregelt. Diese Plattform hat Phillip Lücking, Mitarbeiter im Zentrallabor, von der psychologischen Fakultät der Indiana University auf die Versuchsaufbauten in der Roboterforschung übertragen. Die Plattform jspsych regelt den zeitlichen Versuchsablauf, das Anzeigen von Reizen oder etwa das Auslösen eines bestimmten Roboterverhaltens.

Aktuell planen die Wissenschaftler am CITEC zusammen mit den Kollegen Robert Goldstone und Selma Šabanović von der Indiana University, ihren Ansatz für reproduzierbare Forschung mit einem aktuellen Experiment aus der Psychologie und der Mensch-Maschine Interaktion zu überprüfen. Die Forschenden werden dafür einen entsprechenden Versuchsaufbau mit Hilfe ihres Toolkits reproduzierbar machen. Dadurch werden sie feststellen können, ob ihre Plattform von internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern einfach verwendet werden kann. Am 15. Mai besuchen die Bielefelder Wissenschaftler ihre Kollegen an der Indiana University um ihre Forschungsergebnisse zu diskutieren.

Neben dem wissenschaftlichen Nutzen der Reproduzierbarkeit ist das Toolkit auch bei der Globalisierung und der digitalen Internationalisierung hilfreich. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen nicht mehr in die verschiedenen Länder reisen, um dort Experimente mit Robotern vor Ort zu begutachten. Das Toolkit bietet für einige ausgewählte Experimente bereits ein sogenanntes ‚online-replay’. Aufgenommene Daten und Untersuchungsschritte können damit auf Knopfdruck ausgelöst und abgespielt werden. Forschende können die Ergebnisse dann bequem über einen Internet-Browser mit verfolgen.

Aktuell arbeiten die CITEC-Wissenschaftler an der Erweiterung des Systems, um in dem Werkzeugsatz CITK gesammelte Systeme und Experimente lokal zu starten. Die Experimente können dann von Kooperationspartnern auch aus anderen Ländern in einem ferngesteuerten Labor („remote lab“) verwendet werden. So können die Experimente in den USA, Japan, Deutschland und weltweit wiederholt werden. Außerdem ist es möglich aus den USA einen Versuchsaufbau in Deutschland zu beobachten oder sogar aus der Ferne ein Experiment durchzuführen.

Kontakt

Florian Lier, Central Lab Facilities
Dr.-Ing. Sebastian Wrede, Cognitive Systems Engineering
PD Dr.-Ing. Sven Wachsmuth, Central Lab Facilities
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC)
Universität Bielefeld
Telefon: 0521 106 293
E-Mail: flier@cit-ec.uni-bielefeld.de

Weitere Informationen im Internet:

Plattform des Thematischen Netzwerks Interaktive intelligente Systeme: https://cit-ec.de/en/tn-iis
Forschungsplattform Cognitive Interaction Toolkit: https://toolkit.cit-ec.uni-bielefeld.de/
Beispiel eines Roboter-Versuchsaufbaus: https://toolkit.cit-ec.uni-bielefeld.de/citk-evaluation-study-i