1.1	Über dieses Buch

Heutzutage wird viel über Roboter gesprochen. Sie sind in den Nachrichten, auf der Kinoleinwand und sogar in unserem täglichen Leben zu sehen. Haben Sie jemals mit einem Roboter interagiert, etwa mit einem Staubsauger-Roboter? Oder einem Roboterspielzeug, einem Roboter-Haustier oder einem Roboter-Gefährten? Wenn nicht, werden Sie es wahrscheinlich demnächst tun. Technologieunternehmen haben das Potenzial von persönlichen Robotern bereits im Blick, und sowohl Start-ups als auch große multinationale Unternehmen bereiten sich darauf vor, unsere Welt durch Roboter zu revolutionieren.

Doch wohin steuert der Bereich der Robotik? Wie wird und sollte unsere Zukunft mit Robotern aussehen? Wie werden Roboter einen Platz in unserem Leben finden? Es gibt noch viele offene Fragen. Eine Reihe unbekannter, aber spannender Zukunftsszenarien erwartet uns, in denen Roboter uns unterstützen, mit uns zusammenarbeiten, uns transportieren oder uns unterhalten. Wenn Sie dieses Buch öffnen, sollten Sie ein Interesse daran haben, wie eine solche Zukunft aussehen könnte. Vielleicht wollen Sie sogar die Roboter-Revolution mitgestalten.

Dabei geht es zunächst einmal nur um Sie: Welche Art von Ausbildung haben Sie? Sind Sie durch Ihr Interesse an Technik, Psychologie, Kunst oder Design von Robotern fasziniert worden? Oder haben Sie dieses Buch in die Hand genommen, weil es die Faszination der Kindheit für Roboter wiederaufleben lässt? Die Mensch-Roboter-Interaktion (Human-Robot Interaction, HRI) ist ein Gebiet, das Ideen aus einer Vielzahl von Disziplinen zusammenführt. Technik, Informatik, Robotik, Psychologie, Soziologie und Design haben alle etwas dazu beizutragen, wie wir mit Robotern interagieren. HRI liegt in der Schnittmenge dieser Disziplinen. Als Informatiker zahlt es sich aus, über Sozialpsychologie Bescheid zu wissen; als Designer ist es sinnvoll, in die Soziologie einzutauchen.

Wenn Sie einen ingenieurwissenschaftlichen Hintergrund haben, glauben Sie, dass Sie einen Roboter bauen können, der mit Menschen interagiert, indem sie nur mit anderen Ingenieuren zusammenarbeiten? Leider, so sagen wir voraus, werden Sie dazu nicht in der Lage sein. Für den Entwurf von Robotern, mit denen Menschen interagieren wollen, braucht man ein gutes Verständnis der menschlichen sozialen Interaktion. Dafür braucht man auch den Blick von Sozial- und Geisteswissenschaftlern.

Sind Sie Designer? Glauben Sie, dass Sie einen sozial interaktiven Roboter entwerfen können, ohne mit Ingenieuren und Psychologen zu arbeiten? Die Erwartungen der Menschen an einen Roboter und seine Rolle im Alltag sind nicht nur hoch, sondern auch von Mensch zu Mensch sehr verschieden. Manche Menschen erzählen Ihnen vielleicht, dass sie sich Roboter wünschen, die für sie kochen; andere wünschen sich, dass ein Roboter ihre Hausaufgaben macht und anschließend eine intellektuelle Unterhaltung über den neuen Star Wars-Film mit ihnen führt. Die Fähigkeiten von Robotern als Assistenten sind jedoch noch recht begrenzt. Moravecs Paradoxon gilt auch Jahrzehnte nach seiner ersten Äußerung noch immer: Alles, was den Menschen schwer erscheint, ist für Maschinen relativ einfach, und alles, was ein kleines Kind tun kann, ist für eine Maschine fast unmöglich. Als Designer braucht man daher für den Entwurf eines lebensfähigen und realistischen Designs sowohl ein gutes Verständnis der technischen Möglichkeiten als auch der menschlichen Psychologie und Soziologie.

Und nicht zuletzt, diejenigen von Ihnen, die eine Ausbildung in Psychologie und Soziologie haben, wollen Sie einfach darauf warten, dass solche Roboter in unserer Gesellschaft erscheinen? Wäre es nicht zu spät, erst dann mit dem Studium dieser Technologien zu beginnen? Wollen Sie nicht Einfluss darauf nehmen, wie sie aussehen und wie sie interagieren? Sie können doch schon heute mit befreundeten Ingenieuren und Informatikern sprechen oder mit einem Designer zu Mittag essen. Diese werden Ihren sozialwissenschaftlichen Ideen eine gewisse Grundlage dafür geben, was technisch möglich ist, und Ihnen helfen, die Bereiche zu finden, in denen Ihr Wissen die größte Wirkung haben kann.

Genau wie wir sechs, die dieses Buch geschrieben haben, werden Sie alle zusammenarbeiten müssen. Um dies auf effektive Weise zu tun, müssen Sie die Perspektiven von HRI-Praktikern aus verschiedenen Disziplinen verstehen und sich der verschiedenen Arten von Fachwissen bewusst sein, die für die Entwicklung erfolgreicher HRI-Projekte erforderlich sind. In diesem Buch möchten wir Ihnen einen breiten Überblick über die zentralen HRI-Themen geben und Sie zum Nachdenken über Ihren möglichen Beitrag anregen. Wir möchten, dass Sie mit uns die Grenzen des Bekannten und Möglichen erweitern. Bereits heute kann man mit mit geringem Aufwand einen eigenen Roboter bauen und programmieren. Roboter werden Teil unserer Zukunft sein, also nutzen Sie Ihre Chance, sie zu gestalten. Starten Sie, lesen Sie (dieses Buch!), erschaffen, testen und lernen Sie!

Wir haben ein Team führender Experten aus dem breiten Spektrum derjenigen Disziplinen zusammengestellt, die zur HRI beitragen. Unser aller Herz schlägt für die Verbesserung der Interaktion von Mensch und Roboter.

1.2	Der Schwerpunkt dieses Buches

HRI ist ein großes, multidisziplinäres Gebiet, und dieses Buch bietet eine Einführung in die damit verbundenen Probleme, Prozesse und Lösungen. Es ermöglicht einen Überblick über das Gebiet, ohne mit der Komplexität aller Herausforderungen überfordert zu werden. Zur Vertiefung geben wir Hinweise auf relevante Literatur, die der Interessierte in eigenem Tempo lesen kann. Die Autoren bieten die dringend benötigte Einführung für Studenten, Wissenschaftler, Praktiker und politische Entscheidungsträger. Durch die Lektüre können sie sich damit vertraut machen, wie der Mensch in der Zukunft mit Technologie interagieren wird.

Dieses Buch ist eine Einführung, und als solche erfordert es keine umfangreichen Kenntnisse in einem der verwandten Gebiete. Es erfordert lediglich die Neugier des Lesers, wie Roboter und Menschen miteinander interagieren können und sollen.

Nach einer Einführung in das Gebiet der HRI und der prinzipiellen Funktionsweise eines Roboters konzentrieren wir uns auf die Konstruktion der Roboter. Als Nächstes befassen wir uns mit den verschiedenen Modalitäten, über die Menschen mit Robotern interagieren können, z. B. durch Sprache oder Gesten. Die Verarbeitung und Kommunikation von Emotionen sind die Themen der nächsten Herausforderung, die wir vorstellen, bevor wir über die Rolle von Robotern in den Medien reflektieren. Das Kapitel über Forschungsmethoden führt in die einzigartigen Probleme ein, mit denen Forscher konfrontiert sind, wenn sie empirische Studien über die Interaktion von Menschen mit Robotern durchführen. Als nächstes decken wir die Anwendungsbereiche von sozialen Robotern und ihre spezifischen Herausforderungen ab, bevor wir ethische Fragen im Zusammenhang mit dem Einsatz von sozialen Robotern erörtern. Das Buch schließt mit einem Blick in die Zukunft der HRI.

1.3	Die Autoren

2.1	HRI als interdisziplinäres Unterfangen

HRI ist von Natur und aus Notwendigkeit heraus ein multidisziplinäres und problembasiertes Gebiet. HRI bringt Wissenschaftler und Praktiker aus verschiedenen Bereichen zusammen: Ingenieure, Psychologen, Designer, Anthropologen, Soziologen und Philosophen sowie Wissenschaftler aus anderen Anwendungs- und Forschungsbereichen. Die Schaffung einer erfolgreichen Mensch-Roboter-Interaktion erfordert die Zusammenarbeit verschiedener Bereiche, um die Roboter-Hard- und -Software zu entwickeln, das Verhalten von Menschen bei der Interaktion mit Robotern in verschiedenen sozialen Kontexten zu analysieren und die Ästhetik der menschenähnlichen Verkörperung und des menschenähnlichen Verhaltens von Robotern zu beschreiben sowie das erforderliche Spezialwissen für bestimmte Anwendungsdomänen zu schaffen. Diese Zusammenarbeit kann aufgrund der unterschiedlichen disziplinären Fachsprachen und Praktiken schwierig sein. Das gemeinsame Interesse an HRI bei dieser großen Vielfalt von Teilnehmern ist jedoch eine starke Motivation, sich mit den verschiedenen Arten des Wissenserwerbs vertraut zu machen und sie zu respektieren.

HRI ist in diesem multidisziplinären Sinne ähnlich wie das Gebiet der Mensch-Computer-Interaktion (HCI), obwohl der Umgang mit menschenähnlich verkörperten sozialen Agenten HRI von HCI trennt.

Die verschiedenen Disziplinen unterscheiden sich in ihren gemeinsamen Überzeugungen, Werten, Modellen und Vorbildern (Bartneck und Rauterberg, 2007). Diese Aspekte bilden ein „Paradigma“, das Theoretiker und Praktiker als Gemeinschaft leitet (Kuhn, 1970). Forscher innerhalb eines Paradigmas teilen Überzeugungen, Werte und Vorbilder. Die Schwierigkeiten der Zusammenarbeit an einem gemeinsamen Projekt finden ihre Grundlage in drei Barrieren (siehe Bild 2.2) zwischen Designern [D], Ingenieuren [I] und Wissenschaftlern (insbesondere Sozialwissenschaftlern) [W]:

1.      Wissensrepräsentation (explizit [W, I] versus implizit [D])

2.      Sicht auf die Realität (Verstehen [W] versus transformierende Realität [D, I])

3.      Schwerpunkt (Technik [I] versus Mensch [D, W]).

Barriere 1: Ingenieure [I] und Wissenschaftler [W] machen ihre Ergebnisse durch Veröffentlichungen in Zeitschriften, Büchern und Konferenzberichten oder durch den Erwerb von Patenten explizit. Ihr Wissen wird externalisiert und anderen Ingenieuren oder Wissenschaftlern gegenüber beschrieben. Diese beiden Gemeinschaften überarbeiten ihre veröffentlichten Ergebnisse durch Diskussionen und Kontrolltests unter Gleichgesinnten. Andererseits werden die Ergebnisse der Designer [D] hauptsächlich durch ihre konkreten Entwürfe repräsentiert. Das zur Erstellung dieser Entwürfe erforderliche Designwissen liegt beim einzelnen Designer, hauptsächlich als implizites Wissen, das oft als Intuition bezeichnet wird.

Barriere 2: Ingenieure [I] und Designer [D] verwandeln die Welt in bevorzugte Zustände (Simon, 1996; Vincenti, 1990). Sie identifizieren zunächst einen bevorzugten Zustand, wie etwa die Verbindung zwischen zwei Ufern eines Flusses, und führen dann die Transformation durch, die in unserem Beispiel eine Brücke wäre. Wissenschaftler [W] versuchen hauptsächlich, die Welt durch das Streben nach Wissen über allgemeine Wahrheiten oder die Funktionsweise allgemeiner Gesetze zu verstehen.

Barriere 3: Wissenschaftler [W] und Designer [D] interessieren sich überwiegend für den Menschen in seiner Rolle als möglicher Anwender. Designer sind an menschlichen Werten interessiert, die sie in Anforderungen und schließlich in Lösungen umsetzen. Wissenschaftler in der HCI-Gemeinschaft werden typischerweise mit den Sozial- oder Kognitionswissenschaften in Verbindung gebracht. Sie interessieren sich für Fähigkeiten und Verhaltensweisen von Anwendern wie Wahrnehmung, Kognition und Handlung sowie für die Art und Weise, wie diese Faktoren durch die verschiedenen Kontexte, in denen sie auftreten, beeinflusst werden. Ingenieure [I] interessieren sich hauptsächlich für Technologie, wozu auch Software für interaktive Systeme gehört. Sie untersuchen die Struktur und die Funktionsprinzipien dieser technischen Systeme für die Lösung bestimmter Probleme.

Nicht jedes HRI-Projekt kann es sich leisten, engagierte Spezialisten aus all diesen Disziplinen zu haben. HRI-Forscher müssen oft mehrere Hüte tragen und versuchen, Fachwissen in einer Vielzahl von Themen und Bereichen zu erlangen. Dieser Ansatz mag zwar die Probleme beim Finden von Gemeinsamkeiten verringern, ist aber recht begrenzt. Wir wissen oft nicht, was wir nicht wissen. Deshalb ist es wichtig, entweder mit allen oder vielen der beteiligten Disziplinen direkt in Kontakt zu treten oder zumindest mit Experten auf den jeweiligen Gebieten zu kommunizieren. Mit dem Wachstum und der Reife des HRI-Bereichs hat sich dieser auch auf immer mehr verschiedene Disziplinen, Rahmenbedingungen und Methoden (z. B. Historiker, Philosophen) ausgedehnt, was eine noch umfangreichere Reihe von Wissensanforderungen mit sich bringen kann. In diesem Fall empfehlen wir auch, sich an eine breit angelegte Lektüre zu gewöhnen, nicht nur in der eigenen Disziplin oder in einer Unterdomäne der HRI, sondern auch in verwandten Bereichen, um zu verstehen, wie die eigene Arbeit in das Gesamtbild passt. Bei der Entwicklung spezifischer HRI-Anwendungen ist es auch von entscheidender Bedeutung, mit Fachgebietsexperten zusammenzuarbeiten, die potenzielle Nutzer und Interessenvertreter in die Konzeption einbeziehen. Möglichst von Beginn des Projekts an, um sicherzustellen, dass relevante Fragen gestellt, geeignete Methoden verwendet werden und dass man sich der potenziellen weitergehenden Konsequenzen der Forschung für das Anwendungsgebiet bewusst ist.

2.2	Die Entwicklung von HRI

Der Begriff „Roboter“ hat eine lange und reichhaltige Geschichte in der kulturellen Vorstellungskraft vieler verschiedener Gesellschaften, die Tausende von Jahren zurückreicht bis hin zu Erzählungen von menschenähnlichen Maschinen, der zwischenzeitlichen Entwicklung von Automaten, die bestimmte menschliche Fähigkeiten reproduzieren, und jüngeren Science-Fiction-Erzählungen über Roboter in der Gesellschaft. Obwohl diese kulturellen Vorstellungen von Robotern nicht immer technisch realistisch waren und sind, spiegeln sie die Erwartungen der Menschen an die Roboter und die Reaktionen auf Roboter wider.

Seitdem der Begriff „Roboter“ zunächst in der Fiktion und später für reale Maschinen auftauchte, haben wir über die Beziehung zwischen Robotern und Menschen und darüber nachgedacht, wie sie miteinander interagieren könnten. Jede neue technologische oder konzeptionelle Entwicklung in der Robotik hat uns gezwungen, unsere Beziehung zu und die Wahrnehmung von Robotern zu überdenken.

Als 1961 der erste Industrieroboter, der Unimate, in der Inland-Fisher-Guide-Fabrik von General Motors im Ewing Township, New Jersey, installiert wurde, überlegten die Leute zwar, wie sie mit dem Roboter interagieren würden, aber sie waren eher besorgt über den Platz, den der Roboter unter den menschlichen Arbeitern einnehmen würde. Menschen, die zum ersten Mal verhaltensbasierte Roboter sahen, bewunderten in der Regel die lebensechte Natur des Roboters. Einfache reaktive Verhaltensweisen (Braitenberg, 1986), die auf kleinen mobilen Robotern implementiert wurden, brachten Maschinen hervor, denen Leben eingehaucht zu sein schien. Diese Roboter wirbelten in den Forschungslabors der 1990er-Jahre umher und schienen menschenähnliche Charakterzüge und Grundmerkmale zu haben. Sie veränderten jedenfalls unsere Vorstellung davon, wie Intelligenz oder zumindest der Anschein von Intelligenz geschaffen werden könnte (Brooks, 1991; Steels, 1993). Dies führte zur Schaffung von Robotern, die schnelles, reaktives Verhalten benutzten, um ein Gefühl sozialer Präsenz zu erzeugen.

Ein frühes Beispiel für einen sozialen Roboter ist Kismet (siehe Bild 2.3). Kismet wurde 1997 am Massachusetts Institute of Technology entwickelt und war ein Roboter bestehend aus einer Kopf-Hals-Kombination, die auf einem Kasten montiert war. Kismet konnte seine Augen, Augenbrauen, Lippen und seinen Hals animieren, sodass er seinen Kopf schwenken und neigen sowie seinen Hals strecken konnte. Durch visuellen und akustischen Input reagierte er auf Objekte und Personen, die in seinem Gesichtsfeld erschienen. Kismet extrahierte Informationen über visuelle Bewegungen, visuelle Erscheinungen, Tonamplituden und Emotionen aus der Sprachprosodie und reagierte darauf mit Bewegungen seines Gesichtes, seiner Ohren und seines Halses sowie mit Plappern in einer nichtmenschlichen Sprache (Breazeal, 2003). Kismet konnte überraschend effektiv eine soziale Präsenz darstellen, obwohl die Steuerungssoftware nur eine kleine Auswahl sozialer Antriebe enthielt. Das tat er nicht nur mit seinen Hardware- und Software-Architekturen, sondern auch durch die Nutzung der menschlichen Psychologie, einschließlich des sogenannten „Kindchenschemas“, eine Veranlagung, Dinge mit großen Augen und übertriebenen Merkmalen sozial zu behandeln, obwohl diese selbst keine voll funktionsfähigen sozialen Fähigkeiten besitzen.

Wie viele Roboter in den frühen Tagen der sozialen Robotik und der HRI war Kismet ein maßgeschneiderter Roboter, der den Forschern nur in einem Labor zur Verfügung stand und von Studenten, Postdocs und anderen Forschern ständige Anstrengungen erforderte, um die Fähigkeiten des Roboters aufrechtzuerhalten und aufzubauen. Das schränkte verständlicherweise die Anzahl der Menschen und die Bandbreite der Disziplinen ein, die in den frühen Tagen des Fachgebiets an HRI teilnehmen konnten. In jüngerer Zeit wurde die HRI-Forschung durch die Verfügbarkeit kostengünstiger kommerzieller Plattformen begünstigt, die von den Laboratorien leicht erworben werden konnten. Diese haben sowohl die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der HRI-Forschung in den Labors als auch die Bandbreite der Personen, die sich in diesem Bereich engagieren können, erweitert.

Einige Roboter haben einen besonders bedeutenden Einfluss auf das Feld der sozialen Robotik und der HRI gehabt. Der Nao-Roboter, der von Aldebaran Robotics (jetzt Softbank Robotics Europe) entwickelt wurde, ist vielleicht der einflussreichste Roboter in der Erforschung der sozialen Robotik (siehe Bild 2.4). Der kleine humanoide Roboter, seit 2006 am Markt, wurde aufgrund seiner Erschwinglichkeit, Robustheit und einfachen Programmierung zu einer weit verbreiteten Roboterplattform für das Studium der HRI. Der Roboter ist aufgrund seiner Größe gut tragbar, sodass Studien auch außerhalb des Labors durchgeführt werden können.

Der von Hideki Kozima entwickelte Keepon-Roboter ist ein Minimalroboter, der aus zwei weichen, gelben Kugeln besteht, denen eine Nase und zwei Augen hinzugefügt wurden. Der Roboter kann schwenken, sich biegen und hüpfen, wobei in die Basis des Roboters eingearbeitete Motoren verwendet werden (Kozima et al., 2009; siehe Bild 2.5). Keepon wurde in jüngerer Zeit als erschwingliches Spielzeug kommerzialisiert. Durch überschaubares Umprogrammieren kann er als Forschungswerkzeug für HRI verwendet werden. Studien mit dem Keepon-Roboter zeigen überzeugend, dass ein sozialer Roboter nicht menschenähnlich erscheinen muss; die einfache Form des Roboters reicht aus, um Interaktionsergebnisse zu erzielen, bei denen man eigentlich die Notwendigkeit für komplexere und menschenähnlichere Roboter vermutet hätte.

Der Begleiter- und Therapieroboter Paro (siehe Bild 2.6), geformt wie eine Babyrobbe, ist besonders beliebt bei der Untersuchung von sozial unterstützenden Robotern in der Altenpflege und ähnlichem. Paro ist seit 2006 in Japan und seit 2009 in den Vereinigten Staaten und Europa kommerziell erhältlich und stellt eine robuste Plattform dar, die fast keine technischen Kompetenzen erfordert. Paro wurde daher von verschiedenen Psychologen, Anthropologen und Gesundheitsforschern eingesetzt, um sowohl die potenziellen psychologischen und physiologischen Auswirkungen auf Menschen zu untersuchen als auch um Wege zu finden, wie Roboter in Organisationen des Gesundheitswesens eingesetzt werden könnten. Die einfache Bedienung des Roboters und seine Robustheit ermöglichen seinen Einsatz in vielen verschiedenen Kontexten, auch in Langzeit- und naturalistischen Studien. Gleichzeitig stellt die Tatsache, dass es sich um eine geschlossene Plattform handelt, die es nicht erlaubt, Roboterprotokolle oder Sensordaten aus dem Roboter zu extrahieren oder das Verhalten des Roboters zu verändern, eine deutliche Einschränkungen für die HRI-Forschung dar.

Der Baxter-Roboter, der von Rethink Robotics bis 2018 verkauft wurde, war sowohl ein Industrieroboter als auch eine Plattform für die HRI. Die beiden Arme des Roboters sind aktiv nachgebend: Im Gegensatz zu den starren Armen typischer Industrieroboter bewegen sich die Arme von Baxter als Reaktion auf eine von außen aufgebrachte Kraft. Unter Berücksichtigung anderer Sicherheitsmerkmale ist das Arbeiten in der Nähe des Baxter-Roboters sicher, was ihn für kollaborative Aufgaben geeignet macht. Darüber hinaus verfügt Baxter über einen in Kopfhöhe montierten Bildschirm, auf dem die Steuerungssoftware Gesichtsanimationen anzeigen kann. Das Gesicht des Baxter kann dazu verwendet werden, seinen inneren Zustand zu kommunizieren. Seine Augen und ihre Blickrichtung vermitteln einem menschlichen Mitarbeiter ein Gefühl der Aufmerksamkeit. Weitergetragen wird das Konzept mit dem kollaborativen Sawyer-Roboter (Bild 2.7), den Rethink Robotics immer noch anbietet.

Neben der Verfügbarkeit von erschwinglichen kommerziellen Robotern mit offenen Anwendungsschnittstellen (Open Source), was zu einer Verbreitung von HRI-Studien geführt hat, hat eine zweite Linie zu selbstgebauten sozialen Robotern geführt. Neue Entwicklungen im mechatronischen Prototyping bedeuten, dass Roboter modifiziert, reprogrammiert oder von Grund auf neu gebaut werden können. 3D-Drucken, Laserschneiden und die Verfügbarkeit von kostengünstigen Einplatinencomputern haben es Forschern ermöglicht, Roboter in kurzer Zeit und zu minimalen Kosten zu bauen und zu modifizieren, z. B. InMoov (siehe Bild 2.8) oder Ono.

Wie man sieht, eröffnet die Vielfalt der Roboter-Hardware endlose Forschungsfragen, die von einer multidisziplinären Perspektive aus angegangen werden können. Im Gegensatz zu anderen Disziplinen legt HRI besonderen Wert auf die Untersuchung der Art der sozialen Interaktionen von Menschen und Robotern, nicht nur in Zweierbeziehungen, sondern auch in Gruppen und in Institutionen und früher oder später auch in unseren Gesellschaften. Wie in diesem Buch deutlich wird, sind technologische Fortschritte das Ergebnis gemeinsamer interdisziplinärer Anstrengungen, die wichtige gesellschaftliche und ethische Auswirkungen haben. Diese im Auge zu behalten, indem man menschenzentrierte Forschung betreibt, wird hoffentlich zur Entwicklung von Robotern führen, die weithin akzeptiert werden und die dem Menschen zum Wohle der Allgemeinheit dienen. Ein schönes Beispiel dafür ist der in Bild 2.9 gezeigte Kaspar, der in der Autismus-Therapie genutzt wird.