Humanoide sind bereit, die ersten Schritte zu unternehmen

Von Mike Oitzman | 12. Juli 2023

Das Zeitalter der Humanoiden steht vor der Tür. Humanoide sind eine Untergruppe der Robotik, die über ein zweibeiniges Design, funktionelle Arme und „Hände“, einen Rumpf und einen Kopf verfügt. Für diese Roboter ist es nicht notwendig, menschliche Hände und Finger nachzubilden, sondern sie müssen in der Lage sein, mit einer Welt zu interagieren, die für Menschen geschaffen wurde.

Humanoide wurden lange Zeit in Forschungslabore verbannt, doch seit Kurzem verschieben sich die Zielvorgaben. Unternehmen erschaffen jetzt Humanoide, um verschiedene Aufgaben in der realen Welt auszuführen. Dies bedeutet, dass Humanoide in für Menschen konzipierten Umgebungen agieren und mit Menschen zusammenarbeiten können.

Kurzfristig wird es zu den grundlegenden Aufgaben von Humanoiden gehören, Gegenstände einzeln oder in Behältern oder Kisten aufzuheben und zu bewegen. Zu den erweiterten Funktionen gehören schließlich die Manipulation von Türgriffen, das Öffnen und Schließen von Türen und Schubladen sowie die Verwendung von für Menschen konzipierten Werkzeugen.

Wir werden auf der RoboBusiness 2023 ein Keynote-Panel veranstalten, um den Zustand der Humanoiden zu diskutieren. Jeff Cardenas, Mitbegründer und CEO von Apptronik, Jonathan Hurst, Mitbegründer und Chief Robot Officer von Agility Robotics, und Geordie Rose, Mitbegründer und CEO von Sanctuary, werden die technologischen Durchbrüche untersuchen, die Humanoiden in die reale Welt befördern . Sie teilen ihre Einblicke aus erster Hand in die Herausforderungen und Chancen, die vor uns liegen, und diskutieren über die Branchen, die bereit sind, diese bemerkenswerten Kreationen als Erstanwender zu übernehmen.

Schauen wir uns einige der Humanoiden an, die bald freigelassen werden, und einige der Herausforderungen, die mit der Entwicklung dieser fortschrittlichen Systeme verbunden sind.

Während Humanoide wie der Terminator uns schon lange in Filmen unterhalten, bleibt die Schaffung eines funktionsfähigen Humanoiden für die reale Welt eine schwierige Aufgabe. Stromverbrauch, Leistungs-Gewicht-Optimierung, mechanische Steifigkeit, Edge Computing, Komponentenzuverlässigkeit und Sicherheit sind einige der wichtigsten technischen Einschränkungen des humanoiden Designs.

Seit Jahrzehnten arbeiten Robotiker an der Perfektionierung von Humanoiden und stellen zahlreiche Prototypen und Arbeitsmodelle vor. Einige Forscher haben ihre Karriere damit verbracht, die zweibeinige Fortbewegung oder das Handdesign zu perfektionieren, während andere versucht haben, künstliche Intelligenz zu programmieren, um den Robotern eine glaubwürdige Persönlichkeit zu verleihen, die das unheimliche Tal durchquert.

Einer der berühmtesten Humanoiden war Hondas ASIMO, der erstmals im Jahr 2000 vorgestellt wurde. Im Gegensatz zu den meisten modernen Humanoiden, mit Ausnahme des Boston Dynamics Atlas, war ASIMO ein Schwergewicht mit einem Gewicht von 130 kg (286 lbs).

Honda hat ASIMO im Rahmen des Forschungsprojekts Advanced Step in Innovative MObility entwickelt. ASIMO wurde 2004 als erster Humanoid, der dynamisch gehen konnte, in die Robot Hall of Fame aufgenommen. | Bildnachweis: Honda

Seit den Tagen von ASIMO wurden mehrere technische und technische Durchbrüche erzielt, die alle leichtere Designs, längere Betriebszeiten und schnelleres und leistungsfähigeres Edge Computing ermöglichen. Fortschritte in der Batteriechemie aus der Entwicklung von Elektrofahrzeugen sorgen für das richtige Gleichgewicht zwischen Energiedichte und geringerem Gewicht, das notwendig ist, um freilebenden Humanoiden längere Laufzeiten zu ermöglichen.

Unternehmen haben Edge-Computing-Plattformen entwickelt, die Sensordaten an Bord des Roboters verarbeiten und zusammenführen und gleichzeitig alle seine Gelenke in Echtzeit steuern können. Die Rechenleistung eines Supercomputers kann jetzt in einem kleinen, leichten Formfaktor bereitgestellt werden.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen haben sich im letzten Jahrzehnt so schnell weiterentwickelt, dass die kommende Generation von Humanoiden in der Lage sein wird, schnell zu lernen und auf Veränderungen in ihrer Umgebung zu reagieren. Diese Funktionalität ist notwendig, wenn diese Klasse der Robotik ihr Ziel der Vielseitigkeit erreichen soll.

Für diese nächste Generation von Humanoiden stehen den Entwicklern hochleistungsfähige Technologien zur Verfügung, die sie nutzen können, um die Grenzen des Möglichen zu erweitern. Werfen wir einen Blick auf zwei der bekanntesten Humanoiden, die derzeit funktionsfähig sind.

Boston Dynamics Atlas ist wahrscheinlich der berühmteste (echte) Humanoide, der jemals produziert wurde. Atlas wurde in einer Reihe von YouTube-Videos und sogar in einem Super-Bowl-Werbespot gezeigt, da er auf Parkour-Kursen eine Reihe von Tanzbewegungen und Demonstrationsbewegungen vorführte. Diese Videos wurden auf YouTube millionenfach angeklickt.

Trotz all seiner erstaunlichen Fähigkeiten bleibt Atlas ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt und es gibt keine Pläne, Altas in seiner aktuellen Form zu kommerzialisieren. Tatsächlich ist Atlas nur innerhalb der Grenzen des Hauptsitzes von Boston Dynamics in Waltham, Massachusetts, tätig.

Atlas nutzt hydraulische Hochdruckbetätigung, um seine Gelenke zu bewegen. Das müsste sich wahrscheinlich ändern, bevor Atlas für die reale Arbeit geeignet ist. Boston Dynamics hat die Forschung und Entwicklung von Atlas genutzt, um den kommerziell erhältlichen Spot-Vierbeiner zu entwickeln.

Agility Robotics ist derzeit der einzige kommerziell erhältliche Humanoide, der für Produktionsarbeiten konzipiert ist und in großen Mengen hergestellt wird. Das Unternehmen führte den Digit der vierten Generation Anfang 2023 ein und nimmt Bestellungen für Lageranwendungen entgegen.

Das einzigartigste Merkmal von Digit ist, dass seine Knie nach hinten gebeugt sind. Seine Beine sind von den Beinen von Vögeln abgeleitet und stellen ein hocheffizientes kinematisches Modell dar, das auf unerwartete Eingaben reagiert und gleichzeitig energieeffizient ist. Agility Robotics hält derzeit den Landgeschwindigkeitsrekord für einen Roboter mit Beinen, was zum Teil auf dieses einzigartige Design zurückzuführen ist.

Der Wettlauf um die Entwicklung und Vermarktung der nächsten Generation von Humanoiden ist eröffnet. Mehrere Unternehmen haben große Finanzierungsrunden abgeschlossen, um diese Bemühungen zu unterstützen.

Hier ist eine Wunschliste mit Fähigkeiten für diese erste Generation von Humanoiden:

Das Hand- und Fingerdesign wird ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal für diese erste Generation humanoider Roboter sein. Die Nachbildung einer mechanischen Hand mit vier Fingern und einem opponierbaren Daumen, die der menschlichen Hand ähnelt, bleibt eine schwierige technische Herausforderung. Die meisten der Robotikunternehmen, die wir im nächsten Abschnitt vorstellen, entwickeln hochfunktionale Hände.

Die Herausforderung beim Handdesign besteht darin, eine Hand mit der gewünschten Flexibilität und Festigkeit zu konstruieren, die gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann und robust genug ist, um den täglichen Betrieb im kommerziellen Einsatz zu überstehen.

Agility Robotics hat die wichtige Entscheidung getroffen, in Digit keinen hohen Freiheitsgrad (DOF) zu implementieren, vor allem weil der Roboter nicht in Anwendungsfällen eingesetzt wird, in denen dies erforderlich ist. Digit verfügt über ein einfaches, aber robustes Handdesign, das es ihm ermöglicht, voll beladene Behälter und Kartons innerhalb eines Lagers aufzunehmen und zu transportieren. Eine Hand mit höherem DOF könnte auf der zukünftigen Roadmap für Digit stehen, sobald der Markt dies verlangt.

Die Hauptanforderung an einen funktionsfähigen Humanoiden besteht darin, effektiv in von Menschen geschaffenen Umgebungen zu agieren. Diese Roboter werden in Arbeitsumgebungen eingesetzt, in denen sich bereits Menschen befinden, und arbeiten Seite an Seite mit menschlichen Arbeitern. Zu diesen Betriebsumgebungen gehören Produktionsstätten, Lager, Büros und Krankenhäuser. Das Ziel besteht nicht darin, eine dieser Umgebungen an die Roboter anzupassen, sondern vielmehr darin, dass sich die Roboter an diese Umgebungen anpassen.

1X (ehemals Halodi Robotics) hat seine erste Lösung Eve, einen fahrbaren, selbstbalancierenden humanoiden Roboter, bereits erfolgreich kommerzialisiert. Neo ist so positioniert, dass er ein echter Humanoid mit zweibeinigen Beinen und funktionellen Händen ist.

Das Unternehmen beschaffte im März 2023 weitere 23,5 Millionen US-Dollar im Rahmen einer Serie-A-Finanzierung, zu deren Investoren auch OpenAI gehörte. „1X steht an der Spitze der Arbeitserweiterung durch den Einsatz sicherer, fortschrittlicher Technologien in der Robotik“, sagte Brad Lightcap, COO von OpenAI und Manager des OpenAI Startup Fund. „Der OpenAI Startup Fund glaubt an den Ansatz und die Auswirkungen, die 1X auf die Zukunft der Arbeit haben kann.“

Tatsächlich ist 1X bereit, den Körper von Eve auf eine zweibeinige Beinbasis für diese neue Robotergeneration zu übertragen. Das Unternehmen hat mit Eve bereits autonome Navigations- und Anlagenkartierungsfunktionen entwickelt. Das Unternehmen hat angekündigt, dass Neo Ende 2023 erscheinen wird.

1X Neo ist der erste vollständig humanoide zweibeinige Roboter, der von 1X entwickelt wurde. | Gutschrift: 1X

Sanctuary.AI ist ein kanadisches Unternehmen, das fünf Generationen seines Phoenix-Roboters vorgeführt hat. Die bald erscheinende sechste Generation wird Sanctuarys erster echter Humanoid mit Beinen und zweibeiniger Bewegung sein. Frühere Generationen haben den Rumpf, die Arme und den Kopf des Roboters weiterentwickelt.

Mit den frühen Versionen von Phoenix entwickelte Sanctuary seine Carbon AI-Software. Das Unternehmen hat im letzten Jahr zahlreiche YouTube-Videos veröffentlicht, die die sich entwickelnden Fähigkeiten der frühen Generationen von Phoenix hervorheben.

Hier ist ein Beispiel dafür, was Phoenix heute tun kann:

Sanctuary.AI strebt die Veröffentlichung der zweibeinigen Ausgabe von Phoenix für Ende 2023 an. Der Roboter wird eine Größe von 170 cm haben und 70 kg wiegen

Apptronik hat mehrere Generationen humanoider Exoskelette für das US-Verteidigungsministerium entwickelt und geliefert. Aus dieser Arbeit entwickelte das Unternehmen Astra, seinen humanoiden Formfaktor der ersten Generation. Ähnlich wie die Strategie von Sanctuary.AI wurde Astra als reine Rumpf-Demoeinheit mit funktionsfähigen Armen und Händen entwickelt. Apptronik hat für Astra die Hand-Auge-Koordination entwickelt, um Gegenstände aufzunehmen und zu manipulieren.

Das in Austin, Texas ansässige Unternehmen wird voraussichtlich im Spätsommer 2023 einen völlig neuen Humanoiden namens Apollo auf den Markt bringen. Es sind noch keine Bilder von Apollo verfügbar, aber ich konnte bei einem kürzlichen Besuch in der Apptronik-Zentrale einen ersten Blick auf einen Prototyp werfen. Im Rahmen seiner Exoskelett-Projekte hat das Unternehmen die gesamte Kinematik für die bipedale Bewegung entwickelt.

Apollo wird sich von anderen Robotern auf dem Markt unterscheiden, da seine Gelenke durch ein neuartiges Aktuatordesign betätigt werden. Apptronik geht davon aus, dass dieses neuartige Designmerkmal dazu beitragen wird, Kosten zu senken, die Komplexität zu reduzieren und Fehlerquellen zu beseitigen, während es Gelenken und Gliedmaßen gleichzeitig die erforderliche Steifigkeit und Betätigung verleiht.

Mit Ausnahme von Tesla (und Agility Robotics) ist Figure AI eines der am besten finanzierten Unternehmen im humanoiden Rennen und hat über 70 Millionen US-Dollar in der Serie-A-Finanzierung eingesammelt. Unser jüngstes Podcast-Gespräch mit Mitbegründer und CEO Brett Adcock beleuchtete die Fortschritte, die das Unternehmen auf dem Weg zur ersten Generation seines Humanoiden Figure 01 macht.

Das 2022 gegründete Unternehmen hat ein All-Star-Ingenieurteam mit jahrzehntelanger humanoider Erfahrung von Unternehmen wie Boston Dynamics, dem Toyota Research Institute, dem Institute for Human Machine Cognition, Agility Robotics, Google und Apple zusammengestellt.

Adcock ist ein erfahrener Startup-Manager, der bereits zwei Unternehmen erfolgreich gegründet hat. Er betrachtet die humanoide Entwicklung als ein herausforderndes Problem, verfolgt jedoch einen pragmatischen Ansatz zur Lösung der großen Probleme und hat alle notwendigen Elemente zusammengestellt, um eine tragfähige Lösung in diesem Markt zu liefern. Figure AI kündigt außerdem die Markteinführung seines ersten Produkts Ende 2023 an.

Ein Bild von der Rekrutierungsseite auf der Figure.AI-Website. | Bildnachweis: Figure.AI

In einer berühmten Live-Veranstaltung demonstrierte Elon Musk, CEO von Tesla, den ersten gehenden Prototyp seines Humanoiden Optimus. Der Roboter machte zögernd seine ersten Schritte auf einer Bühne und Musk verkündete, dass dies das erste Mal sei, dass Optimus ungebunden ging.

Mit dieser Demonstration warf Tesla auch seinen kollektiven Hut vor die Rasse der Humanoiden. Doch so erstaunlich es auch gewesen sein mag, Optimus auf der Bühne laufen zu sehen, das Erstaunlichste, was Musk ankündigte, war der Preis von 20.000 US-Dollar. In einer Zeit in der Robotik, in der die meisten (stationären) kollaborativen Roboter mehr kosten, erscheint dieser Meilenstein unrealistisch.

Ein Vorteil für das Tesla Optimus-Ingenieurteam besteht jedoch darin, dass es einen internen und firmeneigenen Markt für Optimus hat. Das Team arbeitet mit dem Automobilproduktionsteam von Tesla zusammen, um die Anwendungsfälle für einen Humanoiden zu definieren. Fast alle veröffentlichten Aufnahmen von Optimus zeigen den Betrieb in einer Tesla-Produktionsanlage. Bevor Optimus jemals öffentlich veröffentlicht wird, wird es bei Tesla über mehrere Generationen hinweg eingesetzt und iteriert worden sein.

In den Monaten seit dieser ersten Demo hat Tesla weiterhin weitere Videos von Optimus-Robotern bei der Ausführung von Aufgaben veröffentlicht. Optimus ist wahrscheinlich eines der am besten finanzierten humanoiden Entwicklungsprojekte, aber Tesla hat angegeben, dass es möglicherweise 2027 dauern wird, bis das Produkt kommerziell erhältlich ist.

Xiaomi ist einer der größten Smartphone-Hersteller in Asien und ein börsennotiertes Unternehmen mit einem Wert von weit über 40 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen weiß, wie man Unterhaltungselektronik entwirft, baut, verkauft und unterstützt. Um seinen CyberOne-Humanoiden vorzustellen, erstellte das Unternehmen raffinierte 3D-Animationen von CyberOne, aber nur ein Video mit echtem Filmmaterial von CyberOne auf der Bühne mit CEO Lei Jun während einer Einführungsveranstaltung.

CyberOne wurde nur mit zwei Freiheitsgraden Hand/Handgelenk/Finger gezeigt. Dies ist ein viel einfacheres Design, als Unternehmen wie Tesla, Figure, Sanctuary und Apptronik versprechen. Dieses vereinfachte, aber robuste Handdesign könnte jedoch besser für einen High-End-Humanoiden im Consumer-Stil geeignet sein.

Der CyberOne-Roboter ist 177 cm groß und wiegt 52 kg. Der Listenpreis für den Roboter wird mit 100.000 US-Dollar angegeben. Das Unternehmen kündigt einen Veröffentlichungstermin für CyberOne im Jahr 2023 an, es wurden jedoch keine weiteren Informationen über die Realität dieses Zeitrahmens veröffentlicht.

Das in Shanghai ansässige Unternehmen Fourier Intelligence stellt seit 2017 Exoskelette her. Das Unternehmen stellte kürzlich seinen Humanoiden der ersten Generation namens GR-1 vor. Mit einer Körpergröße von 1,65 Metern und einem Gewicht von 55 Kilogramm verfügt GR-1 über 40 Freiheitsgrade (Aktuatoren) am ganzen Körper. Mit einem Spitzendrehmoment von 300 Nm, das durch ein an der Hüfte angebrachtes Gelenkmodul erzeugt wird, kann der Roboter mit einer Geschwindigkeit von 5 km pro Stunde laufen und Gegenstände mit einem Gewicht von 50 kg tragen.

Das Unternehmen entwarf und entwickelte die All-in-One-Aktuatorserie Fourier Smart Actuator (FSA) als leistungsstarken, kostengünstigen Aktuator. Der FSA ist der Kern des Designs der Exoskelette des Unternehmens und jetzt des GR-1.

Fourier integriert außerdem KI-Tools wie ChatGPT in das Interaktionsmodell des Roboters, um eine natürlichere Interaktion mit den Menschen zu ermöglichen, mit denen der GR-1 zusammenarbeiten wird. Fourier Intelligence untersucht Möglichkeiten, den Roboter für die Katastrophenhilfe und -bewältigung, die Altenpflege und den Haushaltsdienst einzusetzen.

Die nächsten 12 Monate werden eine aufregende Zeit sein, in der mindestens fünf Unternehmen versprechen, ihre Humanoiden der ersten Generation auf den Markt zu bringen. Die entscheidende Frage ist, wie funktionsfähig diese neuen Roboter sein werden, wenn sie erstmals auf den Markt kommen. Aber es gibt immer noch viele schwierige Herausforderungen:

Einschließliche Systemkosten: Es besteht kaum Zweifel, dass es sich bei diesen Systemen um die komplexesten autonomen Roboter handeln wird, die jemals entwickelt wurden. Eine große Herausforderung bei der Kommerzialisierung wird jedoch darin bestehen, die Stückliste zu minimieren und robuste und leicht zu wartende Komponenten zu entwickeln. Die Komponentenkosten und der Gesamtpreis des Systems werden für diese Systeme die entscheidenden Unterscheidungsmerkmale sein.

Sicherheit wird der Schlüssel sein: Eine weitere Hürde für alle diese Systeme ist die Sicherheit. Es ist beängstigend, darüber nachzudenken, was passiert, wenn ein 70 kg schwerer Roboter versagt und zu Boden fällt. Wenn einer dieser Roboter den Halt verliert und entweder versucht, das Gleichgewicht wiederherzustellen, oder umfällt, könnte er in der Nähe befindliche Menschen verletzen oder Eigentum beschädigen. Wir alle haben die Videos von Boston Dynamics Atlas und Spot gesehen und darüber gelacht, wie sie von einem Hundeführer mit einem Hockeyschläger gemobbt werden, aber es ist kein Scherz, wenn diese Roboter in der Nähe der breiten Öffentlichkeit und nicht-professioneller Benutzer arbeiten.

Es wird erwartet, dass Humanoide irgendwann kooperieren und mit Menschen zusammenarbeiten. Die von den verschiedenen humanoiden Herstellern entwickelten Sicherheitsfunktionen, Wiederherstellungsalgorithmen und Protokolle bleiben wichtige Bereiche der Forschung und Entwicklung. Alle diese Anbieter müssen nachweisen, dass sich ihre Humanoiden gut benehmen und vorhersehbare Fehlermodi aufweisen, bevor die Systeme für den Einsatz freigegeben werden.

Um bei einigen dieser Entwicklungsherausforderungen zu helfen, hat ASTM International kürzlich einen Unterausschuss für Beinroboter eingerichtet. Der Unterausschuss wird sich auf Test- und Leistungsstandards für Beinroboter, einschließlich Humanoiden, konzentrieren, die halbautonom oder in vollautomatischen Modi arbeiten.