Am 24. Juli führte das Surface-Avatar-Team am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen das letzte und laut DLR bisher anspruchsvollste Experiment der Mission Surface Avatar vor. NASA-Astronaut Jonny Kim hatte an Bord der ISS das Kommando über ein intelligentes Roboterteam – bestehend aus vier Robotern – am Boden, das ihm half, den Nachbau der Marsoberfläche zu erkunden und Proben zu sammeln. Dabei ließ er die verschiedenen Roboter nach Bedarf gemeinsam und teil- oder vollautonom agieren. Zeitgleich testeten die Beteiligten den KI-Chatbot-Assistent ‚Neal AI‘, der den Astronauten bei Fragen unterstützte.
„Das Surface Avatar Experiment ist ein Meilenstein in der Kollaboration von Menschen und Robotern im Weltall. Wir haben dadurch alle technischen Voraussetzungen erreicht, um komplexe robotische Missionen auf dem Mars zu steuern, auch in Richtung einer zukünftigen permanenten lunaren Forschungsstation“, erklärt Prof. Alin Albu-Schäffer, Direktor des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik.
Kern der Technologie-Demonstration ist es, eine Person ohne intensives Training zu befähigen, ein Team aus unterschiedlichen Robotern zu kommandieren und gezielt einzusetzen. Die 2022 gestartete Experimentreihe Surface Avatar wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum GSOC.
„Durch die Experimente mit dem Astronauten in Mikrogravitation und der Verbindung über Relais-Satelliten haben wir die technischen Hürden bei der Fernsteuerung von Robotern gemeistert. Wir sind daher sicher, dass wir auch in zukünftigen Szenarien bewerkstelligen können, sei es Lunar Gateway, Mondhabitate oder Erde zu Roboter. Wir haben mit diesen Experimenten und Technologien einzigartige Expertise in Europa aufgebaut, die auch für Anwendungen auf der Erde nützlich ist“, sagt Dr. Thomas Krüger, Team Lead ESA Human-Robot Interaction Lab.
Schwierigere Aufgaben und zusätzlicher Roboter
Im Vergleich zum letzten Surface-Avatar-Experiment im Juli 2024 waren die Aufgaben im aktuellen Experiment schwieriger und die Roboter selbstständiger. Auch ist ein weiterer Roboter hinzugekommen: Neben dem humanoiden DLR-Roboter Rollin‘ Justin, ESA-Rover Interact und dem vierbeinigen DLR-Roboter Bert vervollständige der vierbeinige ESA-Roboter Spot das Roboterteam.
Spot ist größer als Bert und mit einem Greifarm ausgestattet. ISS-Astronaut Kim gab ihm die Aufgabe, ausliegende Probenbehälter selbstständig zu finden und zur Übergabestation zu bringen. Kim steuerte dann direkt den DLR-Roboter Rollin‘ Justin an und erteilte die Aufgabe, die eingetroffenen Behälter von der Übergabestation zum Lander zu bringen. So sammelten die beiden Roboter selbstständig mehrere Proben von der nachempfundenen Marsoberfläche für den Rücktransport zur Erde, während der Astronaut sich den nächsten Aufgaben widmen konnte.
Roboter-Roboter-Transport
Eine weitere Aufgabe lag in der Erkundung einer Höhle: Kim kommandierte dazu den Interact-Rover, der wiederum den DLR-Roboter Bert in seinem Transportkorb geladen hatte – laut DLR der weltweit erste Roboter-Roboter-Transport. Telekommandiert durch den Astronauten fuhr der Rover zur Höhle, hob mit seinem Greifarm DLR-Roboter heraus und setzte ihn auf dem Boden ab.
Da eines von Bernds Beinen klemmte, konnte er die Höhle zunächst nicht wie vorgesehen erkunden. Das Team auf der Erde hatte diese Fehlfunktion beabsichtigt, um ein unvorhergesehenes Problem zu simulieren. Dazu ist der DLR-Roboter Bert mit ‚bestärkendem Lernen‘ (englisch: reinforcement learning), einer Methode des maschinellen Lernens, ausgestattet. Um mit drei Beinen einen stabilen Gang für Bert zu finden, führte Kim ein Training durch: Er ließ den Roboter verschiedene Gangarten ausprobieren und bewertete diese, bis Bert eine funktionierende Strategie gefunden hatte. Nach der erfolgreichen Lerneinheit absolvierte der DLR-Roboter seine Höhlenerkundung. Hier entschied sich der Astronaut für die manuelle Steuerung – über eine Kamera konnte er sehen, was der Roboter sieht, und ihn über den Joystick des Robot-Command-Terminals fernsteuern.
KI-gestützte Vorbereitung
Den Beteiligten gelang es, im knappen Zeitfenster von zweieinhalb Stunden sämtliche Aufgaben einschließlich der Zusatzoptionen erfolgreich zu bewältigen. So steuerte Jonny Kim den Rover manuell, um einen Probenbehälter zu greifen und in der Übergabestation abzulegen. Der US-Amerikaner steuerte die Roboter, um herumzufahren, sich umzusehen und die Umgebung zu erkunden, zu berühren und zu fühlen. Sie dienten dabei als Avatare bzw. physische Verlängerung aus der Ferne.
Zur Vorbereitung nutzte der Astronaut den neuen KI-Chatbot-Assistenten ‚NealAI‘, der auf einem großen Sprachmodell (Large Language Model, kurz LLM) des europäischen Anbieters Mistral AI basiert. Das Entwicklungsteam des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik hatte den Chatbot speziell für die Surface-Avatar-Mission trainiert. Während der Trainingsphase beantwortet er Kim Fragen zu den Funktionalitäten der Roboter, zur Bedienung der Steuerungseinheit und der Benutzeroberfläche. Die Idee dahinter ist, Astronauten bei einer möglichen Mars-Mission umgehend Hilfestellung zu bieten, da die Signalverzögerung zwischen Mars und Erde bis zu 40 Minuten betragen kann.
Handschlag zum Abschluss
„Das letzte Experiment von Surface Avatar war der perfekte Abschluss der Mission. Sie zeigte, wie die Robotik unsere Astronautinnen und Astronauten bei der Erforschung des Weltraums unterstützen kann. Ich freue mich schon darauf, nach dieser fruchtbaren Zusammenarbeit mit der ESA, künftig auch weitere gemeinsame Erfolge zu feiern“, fasst Principal Investigator Dr. Neal Y. Lii vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik zusammen.
Zum Abschluss der Versuchs-Reihe reichten sich NASA-Astronaut Kim und DLR-Wissenschaftler Lii in Oberpfaffenhofen die Hand – mittels des DLR-Roboters Rollin‘ Justin. Durch Kraftrückkoppelung konnten beide Partner – auf der ISS und auf der Erde – die Kraft und Bewegung des Händeschüttelns spüren.
