Grundlagen einer neuen wissenschaftlichen Disziplin «Sustainability Robotics» als neues Forschungsgebiet

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Klimawandel, Ressourcenverbrauch und Energiekrise stellen unsere Gesellschaft vor grosse Herausforderungen. Robotik könnte einen wesentlichen Beitrag zu deren Bewältigung leisten – doch dafür braucht es nach Ansicht von Forschenden ein Umdenken. In einem in der Fachzeitschrift «Nature Machine Intelligence» veröffentlichten Manifest schlagen sie dafür eine neue wissenschaftliche Disziplin vor: «Sustainability Robotics». Roboter sollen künftig nicht nur effizienter und intelligenter werden, sondern gezielt so entwickelt und eingesetzt werden, dass sie zu einer ökologischen, gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Nachhaltigkeit beitragen.

Robotik und (physische) künstliche Intelligenz entwickeln sich rasant. Gleichzeitig verschärfen sich globale Herausforderungen wie Klimawandel, Biodiversitätsverlust und Ressourcenknappheit. Während sich die Robotik bislang vor allem an Kriterien wie Präzision, Geschwindigkeit und Autonomie orientierte, stellen Forschende heute eine andere, grundlegendere Frage: Welche Rolle sollen Roboter beim Aufbau einer nachhaltigen Zukunft spielen?

In einem Fachartikel, der in der Zeitschrift «Nature Machine Intelligence» veröffentlicht wurde, schlägt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Empa-Forschers Mirko Kovač gemeinsam mit Barbara Mazzolai vom «Italian Institute of Technology» (IIT) und Seokheun Song vom «Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology» (DGIST) deshalb die Schaffung einer neuen wissenschaftlichen Disziplin vor: «Sustainability Robotics», also eine Robotik im Dienste der Nachhaltigkeit. Ziel ist es, robotische Systeme künftig nicht nur nach ihrer technischen Leistungsfähigkeit, sondern auch nach ihren Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft zu bewerten. «Bisher hat sich die Robotik vor allem darauf konzentriert, was Maschinen leisten können», sagt Kovač, Leiter des «Laboratory of Sustainability Robotics» an der Empa und der EPFL. «Der nächste Schritt besteht nun darin, zu fragen, welche Rolle Roboter beim Aufbau einer nachhaltigen Zukunft spielen sollen.»

Mehr als «grüne» Robotik

Nachhaltigkeit spielt bereits heute eine wichtige Rolle im Bereich der «Green Robotics». Die Autorinnen und Autoren des Manifests gehen jedoch einen entscheidenden Schritt weiter. Aus ihrer Sicht reicht es nicht aus, lediglich den ökologischen Fussabdruck von Robotern zu reduzieren. Robotik muss vielmehr aktiv dazu beitragen, Nachhaltigkeitsherausforderungen zu lösen. Barbara Mazzolai, stellvertretende Direktorin für Robotik am IIT, betont die Bedeutung der Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus der Robotik hinweg: «Wir sollten uns von lebenden Organismen inspirieren lassen, die bemerkenswerte Funktionen erfüllen und dabei den Energie- und Materialverbrauch auf ein Minimum reduzieren.»

Dabei unterscheiden die Forschenden zwei sich ergänzende Ziele: Einerseits sollen Roboter selbst nachhaltiger werden – etwa durch den verantwortungsvollen Einsatz von Materialien, Kreislaufwirtschaft und einen geringeren Energieverbrauch. Andererseits – und das geht über die «grüne» Robotik hinaus – sollen robotische Systeme gezielt dazu eingesetzt werden, Umweltveränderungen zu überwachen, Katastropheneinsätze zu unterstützen oder kritische Infrastrukturen zu erhalten. Mögliche Anwendungen reichen von biologisch abbaubaren Drohnen und Luft-Wasser-Robotern zur Überwachung von Ökosystemen bis hin zu fliegenden Robotern für die Inspektion schwer zugänglicher Infrastrukturen. «Unser Ziel ist es nicht nur, Roboter nachhaltiger zu machen», sagt Kovač. «Wir möchten Nachhaltigkeitsrobotik als eigenständige wissenschaftliche Disziplin etablieren.»

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Leitprinzipien für die Robotik von morgen

Im Zentrum des Manifests stehen drei Leitprinzipien. Robotische Systeme sollen minimalinvasiv, universell zugänglich und symbiotisch sein. Minimalinvasive Robotik soll ökologische, biologische und gesellschaftliche Auswirkungen so gering wie möglich halten. Dazu gehören beispielsweise energieeffiziente Systeme, kompostierbare Elektronik oder Roboter, die repariert und wiederverwendet werden können. Universelle Zugänglichkeit bedeutet, dass Robotik nicht nur wohlhabenden Regionen oder spezialisierten Industrien zugutekommt. Technologien sollen bezahlbar, wartbar und auch dort einsetzbar sein, wo sie am dringendsten benötigt werden.

Eine besondere Bedeutung messen die Forschenden dem Konzept der Symbiose bei. Robotik soll nicht nur einzelne Aufgaben effizient erfüllen, sondern einen möglichst grossen Nutzen für Menschen, Umwelt und Wirtschaft schaffen. «Die wichtigste Frage ist nicht, ob ein Roboter technisch besonders fortschrittlich ist», so Kovač. «Entscheidend ist vielmehr: Wer profitiert davon – und welche Auswirkungen haben die autonomen System auf unseren Planeten?»

Automatisierte Systeme könnten beispielsweise künftig beschädigte Korallenriffe überwachen und deren Regeneration unterstützen. Demgegenüber stehen Anwendungen wie Robotik für den Tiefseebergbau, deren ökologische Folgen durchaus kritisch bewertend werden können. Für die Forschenden zeigt dieser Vergleich, dass nicht allein entscheidend ist, was Roboter technisch leisten können, sondern welchem Zweck sie dienen und welche Beziehung sie zu ihrer Umwelt schaffen. «Wir verwenden den Begriff symbiotisch, weil wir Robotik über reine Effizienz und Ressourcennutzung hinaus in Richtung Regeneration, Verantwortung und gegenseitigen Nutzen weiterentwickeln möchten», erklärt Kovač.

Von der Vision zur praktischen Anwendung

Die im Manifest formulierten Ideen prägen bereits heute die Forschung im gemeinsamen «Laboratory of Sustainability Robotics» von Empa und EPFL, das von Kovač im Rahmen seiner gemeinsamen Professur geleitet wird. Das Labor verbindet Robotik, «Physical AI», Materialwissenschaften und Umweltwissenschaften, um mobile Robotersysteme für verteilte Umweltüberwachung sowie autonome Fertigung in komplexen natürlichen Umgebungen zu entwickeln. Zu den Forschungsschwerpunkten zählen bioinspirierte Robotik, multifunktionale Hardware sowie multimodale Fortbewegung. Mit diesem interdisziplinären Ansatz möchte Kovačs Team die Prinzipien der Nachhaltigkeitsrobotik in konkrete Technologien überführen und gleichzeitig Forschung, Lehre und internationale Zusammenarbeit in diesem neuen Forschungsfeld vorantreiben.

Ergänzt werden diese Aktivitäten durch das «Competence Centre for Sustainability Robotics» (CCSR). Das derzeit an der Empa aufgebaute Kompetenzzentrum wird vom Kanton Schaffhausen unterstützt und fördert Forschung, Innovation und Zusammenarbeit zur Weiterentwicklung der Nachhaltigkeitsrobotik.

Langfristig soll Nachhaltigkeit in der Robotik ebenso selbstverständlich werden wie heute Sicherheitsstandards. «Der Erfolg der Nachhaltigkeitsrobotik bemisst sich nicht daran, wie viele Roboter wir bauen», ist Kovač überzeugt. «Entscheidend ist der positive Beitrag, den diese Systeme für Ökosysteme, Infrastrukturen und die Lebensqualität der Menschen leisten.»

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