Mit Fussball hat Dominic Frutiger eigentlich nicht viel am Hut. Es sei denn, die Spieler sind Roboter im Mikrometerbereich, das Spielfeld ist kleiner als die Datumsanzeige einer Armbanduhr und der Ball besteht aus einem winzigen Siliziumdioxidscheibchen. In dieser Sparte ist Frutiger und seine Projektpartner vom ETH-Institut für Robotik und Intelligente System (IRIS) Weltklasse. Im Juli haben sie beim RoboCup in Atlanta den ersten Preis in der erstmals ausgetragenen Liga „Nanogram“ gewonnen.

Vollautomatischer Dribbler

Drei Aufgaben hatten ihre nur 300 mal 300 Mikrometer grossen „Spieler“ zu lösen: einen 2 Millimeter-Sprint von einem Tor zum anderen, ein Dribbling um Hindernisse von einem Tor zum anderen sowie innerhalb von drei Minuten möglichst viele Tore zu schiessen. Die Energie für ihre Fortbewegung mussten die Roboter aus der Umgebung beziehen und sie durften nicht mit einem Kabel oder einer Führungsleine verbunden sein. Der Roboter kann mit Computermaus und Tastatur gesteuert werden. Für den Wettkampf jedoch musste die Regelung des Roboters vollautomatisch implementiert werden, sodass der Roboter selbständig die Bälle um statische Gegner herumdribbelt und ins Ziel befördert.

Dabei zeigten die Mikroroboter, die drei Projektleiter und ihre Studentinnen und Studenten der ETH ihr Weltklassekönnen. Als einziges von fünf Gruppen gelang es dem Team, alle drei Aufgaben zu lösen. Zu Demonstrationszwecken steuerten sie zudem den Roboter wie beim Ur-Computerspiel "Pac Man" durch ein Labyrinth aus Polymerwänden. "Wir waren die einzigen, die in der kurzen Zeit, die für die Vorbereitung geblieben ist, etwas Zuverlässiges zustande gebracht haben", sagt Frutiger nicht ohne Stolz. Erst im November 2006 haben sie vom Fussballwettbewerb erfahren. In nur einem halben Jahr haben sie einen Prototypen des Mikroroboters basierend auf Grundmechanismen wie sie am IRIS erforscht werden entworfen und gemäss Frutiger „zu einem Ferrari“ weiterentwickelt.

Vorwärts ohne Motor

Das Grundprinzip haben die Forscher bereits patentieren lassen. Der Mikroroboter selbst besteht aus einem Rahmen und einer Mäanderfeder aus Gold sowie zwei rechteckigen Blöcken aus Nickel, welche magnetisierbar sind. Der Rahmen liegt auf dem Spielfeld auf, einer der Blöcke ist am Rahmen aufgehängt. Der andere Block hängt 8 Mikrometer über dem Spielfeld an der Feder, die ihrerseits fest mit dem Rahmen verbunden ist. In einem Magnetfeld richtet sich dieses "Gefährt" entlang der gemeinsamen Längsachse der beiden nun polarisierten Nickelkörperchen aus.

Damit sich der Mikroroboter, der ja keinen Motor besitzt, bewegen kann, legen die Forscher ein Magnetfeld an. Dieses übt auf die beiden polarisierten Blöcke eine anziehende Kraft aus. Dadurch wird die Feder ausgelenkt und die Spalte zwischen den Nickelteilen wird kleiner. Sobald das magnetische Feld abgestellt wird, schwindet die Anziehung auf das Niveau der magnetischen Anziehung der beiden Nickelkörper und die gespannte Feder lässt den Nickelkörper zurückschwingen. In einem oszillierenden Magnetfeld um die Resonanzfrequenz beginnt die Feder rhythmisch zu schwingen, so dass die Blöcke aufeinander prallen. Der ganze Komplex bewegt sich jedesmal ruckartig ein Stückchen vorwärts.

Schnell, wendig, robust

Mit einer ebenfalls zuschaltbaren elektrostatischen Spannung können die Forscher die Bewegungsrichtung kontrollieren: Dank der elektrostatischen Anziehung haftet der Roboter für einen kurzen Moment auf der Unterlage, die Federkraft kann ihn nicht vom Fleck bewegen. Das Kunststück dabei ist, das magnetische Feld und die elektrostatische Spannung so aufeinander abzustimmen und zu kombinieren, dass der Roboter in stufenloser Geschwindigkeit kontrollierbar vorwärts oder rückwärts fährt.

Dieses Kunststück ist den ETH-Wissenschaftler vollauf gelungen. Am RoboCup hat sich gezeigt, dass der Roboter des IRIS-Teams robust und schnell ist, die Steuerung zuverlässig funktioniert und sich der Roboter sehr gezielt bewegt. So kann er 1,25 Zentimeter in einer Sekunde zurücklegen - über 40 Mal seine eigene Länge. Der Vorgang lässt sich zudem beliebig oft wiederholen. Die Konkurrenz aus USA und Kanada haben hingegen auf die Technik gesetzt, die der Organisator des Wettbewerbs gerne umgesetzt gesehen hätte. Frutiger und seine Projektpartner haben aber rasch realisiert, dass diese langfristig wenig Erfolg versprechend ist, weil sich der Mikroroboter damit nur schwer steuern lässt und die Technologie inhärent dazu verdammt ist, auf einem speziell gestalteten zweidimensionalen Untergrund zu verbleiben.

Vom Spielzeug zum medizinischen Hilfsmittel?

"Wir wollten den Weltruf unseres Labors und der ETH am RoboCup verteidigen", beschreibt Dominic Frutiger die Motivation seines Teams für den Sondereffort, den sie für den Auftritt am RoboCup geleistet haben. "Unser Sieg ist deshalb auch ein Leistungsausweis für die Schweiz, für die ETH", sagt er. Vor allem habe es auch gezeigt, dass die Schweiz in der Mikro- und Nanotechnologie einen Vorsprung gegenüber anderen Länder habe. Ob er und seine Mitkicker im nächsten Jahr wieder dabei sein werden, um den Titel zu verteidigen, ist jedoch noch nicht entschieden.

"Das, was wir hier geschaffen haben, ist eine schöne Spielanwendung", sagt Frutiger. Sie sei aber ein Grundstein für neue seriöse Anwendungen im dreidimensionalen Bereich, zum Beispiel in der Biomedizin. Der Forscher denkt etwa an Miniroboter, die sich autonom im Blutstrom oder im Darm bewegen, ihr Zielobjekt wie Organe oder Gefässe finden und örtlich dosierte Medikamente abgeben können. So weit sind die Starstürmer des IRIS allerdings noch lange nicht. "Das sind weitaus komplexere Probleme als Fussball zu spielen", gibt er zu bedenken.

Die Meisterschaft der Roboter

Der RoboCup findet seit 1997 alljährlich statt, letztmals 2006 in Bremen und in diesem Juli in Atlanta (USA). Das Fussballturnier ist eine ideale Form, um Fortschritte und Möglichkeiten der mobilen Robotik und der künstlichen Intelligenz zu demonstrieren. Beim Fussballspielen sind zahlreiche Schlüsselkompetenzen der künstlichen Intelligenz und der Robotik nötig. So müssen die Roboter autonom Objekte erkennen können (Gegner und Ball), sich zielgerichtet (Tore schiessen) und kooperativ (Mitspieler einbeziehen) verhalten. Die Nanogram-Liga wurde dieses Jahr zum ersten Mal ausgetragen. Der Name bezieht sich auf das Gewicht der Roboter.