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Roboter – Mechanische Helfer in allen Lagen

Waren Roboter vor einigen Jahrzehnten noch bloße Science-Fiction, sind sie aus dem Leben heute kaum mehr wegzudenken. Sie bauen Autos, entschärfen Bomben und tauchen in die Tiefen der Ozeane. Auch die Raumfahrt ist bei ihren Missionen auf die Unterstützung von Robotern angewiesen. Doch bevor das erste Roboterfahrzeug auf dem Mars herumfahren konnte, mussten Forscher erst viele Jahre Entwicklungsarbeit leisten.

Was ist eigentlich ein Roboter?

Das Wort "Roboter" wird vom tschechischen "robota" abgeleitet, das so viel heißt wie Fronarbeit. Der tschechische Schriftsteller Karel Ĉapek nannte 1920 die Maschinenmenschen in seinem Theaterstück Rossums Universal Robots (R.U.R.). In dem Drama werden diese in Tanks herangezüchtet, um an Stelle von Menschen in der Industrie zu arbeiten. Die Wortschöpfung "Roboter" hielt Einzug in viele Sprachen. 1926 trat mit dem Film "Metropolis" eine menschliche Maschine das erste Mal auf die Kinoleinwand. Berühmtheit erreichten die Roboter schließlich in den 1940er Jahren durch die Erzählungen Issac Asimov.

Roboter sind Maschinen, die sich selbständig bewegen und verschiedene Tätigkeiten erledigen können. Das unterscheidet die Roboter von ferngesteuerten Maschinen, die Befehle von Menschen brauchen – und damit nicht selbständig sind. Auch Automaten sind keine Roboter, da sie nur eine einzige Arbeit ausführen. Auch Computer gelten nicht als Roboter, weil sie sich nicht bewegen können.

Die Versuche, Arbeit von Menschen durch Mechanik zu ersetzen, gehen weit zurück. Schon in vorchristlicher Zeit erfanden die Griechen einfache Automaten, die ohne direkte Einwirkung der Menschen Tätigkeiten ausführen konnten. So entstand 270 vor Christus die erste wasserbetriebene Uhr. Aus dem frühen neunten Jahrhundert entstand in Bagdad das Buch der raffinierten Geräte, "Kitab al-Hiyal", in dem mehr als hundert Automaten beschrieben werden.

Auch Maschinen sehen, tasten und hören

Ein besonderes Problem bei der Entwicklung von Maschinen, die sich selbstständig bewegen, ist die Orientierung. Der erste sehende Roboter entstand mithilfe von Fotozellen, die das Erkennen von Helligkeitsunterschieden ermöglichen. Die berühmten Roboter-Schildkröten Elsie und Elmer konnten dadurch 1950 erstmals die Lichtquelle orten, die ihre Ladestation markierte. US-Forscher der Universität von Kalifornien haben kürzlich einen Roboter entwickelt, der dreidimensional sehen kann und in der Lage ist, Handtücher zu falten und dann aufeinander zu stapeln. Mithilfe von zwei Kameras im Kopf des Roboters wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung erstellt. Diese Fähigkeit ist wichtig, damit Roboter sich in Zukunft auch in einem Raum, der ihnen unbekannt ist, bewegen können, ohne gegen die Wände zu stoßen.

Auch Roboter, die hören können, gibt es bereits seit einigen Jahrzehnten. So entwickelte die Waseda-Universität in Japan 1973 den "Wabot-1". Der Roboter konnte hören, sehen, tasten, laufen und sich mithilfe eines Sprachsynthesizers sogar unter-

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halten, so dass seine Entwickler ihm die Intelligenz eines 18 Monate alten Kindes bescheinigten.

Auch der Tastsinn von Robotern hat sich im Laufe der vergangenen Jahre stark verbessert. Noch vor nicht allzu langer Zeit waren feinmotorische Abläufe undenkbar, etwa das Halten eines Stiftes mit Daumen und Zeigefinger. Inzwischen können Roboter rohe Eier und Flaschen greifen, ohne diese zu beschädigen. Roboterwissenschaftler der Technischen Universität München haben eine Kunsthaut entwickelt, mit der die Roboter Berührung spüren und Hindernissen ausweichen können. Gerald E. Loeb und Jeremy A. Fishel von der Universität Südkalifornien haben eine Kunsthand entwickelt, deren Finger mit so empfindlichen Sensoren ausgestattet sind, dass sie unterschiedliche Materialien erkennen können.

Mechanische Fließbandarbeiter

In der Industrie wurden Roboter erstmals in den 1960er Jahren eingesetzt, also

ersten kommerziell erhältlichen Industrieroboter. Er wurde unter anderem an den Fließbändern des Autoherstellers General Motorsfür sich wiederholende und gefährliche Arbeiten eingesetzt. So stapelte der Unimate etwa hoch erhitzte Metallteile. Bereits 20 Jahre später wurde der Einsatz von Robotern in der Autoherstellung zur Routine. Auch andere Industriezweige nehmen Roboter zur Hilfe. So gibt es in Chemieunternehmen Automationsstraßen, die komplexe Arbeitsabläufe vollständig übernehmen.

Roboter sind überall da, wo wir nicht sein können

Inzwischen übernehmen Roboter in vielen Bereichen Tätigkeiten, die der Mensch ungenauer, langsamer oder überhaupt nicht ausführen kann. Letzteres gilt besonders für Missionen im Weltraum. Die unbemannte Raumsonde "Pathfinder" setzte 1997 nach siebenmonatigem Flug erstmals ein Roboterfahrzeug (Sojourner) auf dem Mars ab, das für die extremen klimatischen Bedingungen auf dem Roten Planeten gerüstet war. Anfang August 2012 landete der bisher teuerste Roboter der NASA auf dem Mars. Der Marsrover "Curiosity" soll nun, ausgestattet mit neuester Technik, die Marsoberfläche untersuchen und Informationen über die Bodenbeschaffenheit und Atmosphäre auf dem Planeten zur Erde schicken. Aber auch für andere Aufgaben im All sind Roboter unerlässlich. So helfen Roboterarme bei Arbeiten an der internationalen Raumstation ISS und reparieren defekte Satelliten.

Die Erforschung der Ozeane wäre ohne Roboter ebenfalls undenkbar. Sie ergründen die Meerestiefen, helfen beim Erkennen von Umweltgefahren wie ausgelaufenem Öl oder bei der Schatzsuche. 1986 erkundete der Roboter Jason Junior zusammen mit dem bemannten Tiefseetauchboot Alvin in 3965 Metern Tiefe das Wrack der Titanic. Viele der Unterwasserroboter haben die Form eines kleinenU-Boots. Diese Autonomous Underwater Vehicles (AUV) werden ferngesteuert oder vor dem Einsatz so programmiert, dass sie ihre Arbeiten eigenständig ausführen können.

Auch in Krisengebieten können Roboter dem Menschen ihren Dienst leisten. Sie werden bei Bränden eingesetzt, suchen nach Minen oder einschärfen Bomben. Dafür müssen sie in der Lage sein, sich in sehr unwegsamem Gelände fortbewegen zu kön-

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nen. Für die Bombenentschärfung sind die Roboter oft mit einem tiefliegenden Fahrgestell und einem frei beweglichen, ferngesteuerten Arm ausgestattet. An dessen Spitze befindet sich ein Zertrümmerungsgerät, das mit hoher Energie einen Wasserstrahl in die Sprengstoffkammer schießt und sie so unwirksam macht. Kleine unbeabsichtigte Detonationen können die Roboter überstehen.

Neben all diesen Möglichkeiten gibt es inzwischen viele weitere Einsatzgebiete für Roboter. Ob im Haushalt als Staubsauger, im Operationssaal, im Labor oder im Kinderzimmer: Roboter gehören zum Alltag dazu1. (5 880)

Nanotechnologie

Nanotechnologie: Kleine Teilchen sollen groß rauskommen

So klein wie ein Fußball im Vergleich zur Weltkugel ist, so winzig ist ein Nanoteilchen im Verhältnis zu jenem Fußball: Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, mathematisch ausgedrückt also 10 hoch minus 9 Meter. Das Wort "nanos" stammt aus dem Griechischen und steht für Zwerg. Die Nanotechnologie spielt sich in einer Welt mit unvorstellbar kleinem Maßstab ab.

Nanotechnologien statt Nanotechnologie

Die eine Nanotechnologie gibt es eigentlich gar nicht: Richtig ist es eher, in der Mehrzahl von Nanotechnologien zu sprechen. Immerhin werden unter dem Begriff zahlreiche Prinzipien aus verschiedenen Naturund Ingenieurwissenschaften zusammengefasst: aus der Quantenphysik und den Materialwissenschaften, aus der Elektronik und Informatik, aus der Chemie und Mikro-, Molekularund Zellbiologie. Gemeinsam ist all diesen Technologien die Größenordnung, in der sich alles abspielt: die Dimension von einigen Nanometern. Dabei geht es um mehr als nur die Miniaturisierung von Dingen. Im Nanomaßstab entwickeln Stoffe neue Eigenschaften, da hier die Physik zwischen einzelnen Atomen ihre volle Wirkung entfaltet. Beispielsweise halten Fasern aus Nano-Kohlenstoff Zugkräften extrem stand, Keramik mit Nanozusatz wird transparent, Metall zum Farbpigment oder Glas zum Bindemittel. Und aus diesen neuen Eigenschaften ergeben sich neue Möglichkeiten.

In Sonnencremes beispielsweise dienen Nanoteilchen als Schutzfilter gegen ultraviolette Strahlen. In Socken und Sportbekleidung tötet Nanosilber Bakterien ab und verhindert so, dass die Kleidung bald müffelt. In Lacken und Farben sorgen Nanopartikel für unterschiedliche Farbeffekte und schützen vor Schmutz oder Schimmel. Aluminium-Nanopartikel in Parkettund Möbellacken verbessern die Kratzfestigkeit. Und das ist erst der Anfang: Die noch recht junge Nanotechnologie gilt als eines der wichtigsten Forschungsgebiete für das 21. Jahrhundert.

1 http://www.planet-wissen.de/natur_technik/computer_und_roboter/roboter/ 58

Wie Nanotechnologien die Medizin revolutionieren sollen

Besonders in der Medizin wird der Nanotechnologie eine große Zukunft vorausgesagt: Nanotechnologien könnten sowohl die medizinische Forschung als auch die Diagnose und Therapie von Krankheiten verändern, und das schon innerhalb der nächsten 20 bis 30 Jahre. Das ergab eine internationale Umfrage bei mehr als 70 Nanoexperten, die im Auftrag des Schweizer Zentrums für TechnologiefolgenAbschätzung durchgeführt worden war.

So sollen metallische Nanopartikel in der Krebstherapie einen entscheidenden Fortschritt bringen: Da Tumorzellen empfindlicher auf hohe Temperaturen reagieren als gesundes Gewebe, werden nanokleine Metalloxide in das kranke Gewebe gebracht, die dann mithilfe elektromagnetischer Wechselfelder erhitzt werden und so die kranken Zellen töten sollen. Dieses sogenannte Hyperthermie-Verfahren soll in Zukunft vor allem Patienten mit Hirnund Prostatatumoren heilen. Auch Nanotransportsysteme sind in der Entwicklung: Sie sollen Wirkstoffe von Medikamenten zielgenau durch den Körper schleusen. Außerdem könnten in Zukunft Nanofilter Dialysepatienten helfen und Nanobeschichtungen bei Implantaten den Knochenersatz stabiler und länger haltbar machen.

Risiken und Nachteile werden wenig beachtet

Doch so verheißungsvoll die Wünsche und Visionen der Nanoforscher auch sind: Die Risiken für Mensch und Umwelt sind noch längst nicht geklärt. Nanoteilchen sind so winzig, dass sie eingeatmet werden und über die Lunge in den Blutkreislauf gelangen können. Von da können sie in jede Körperzelle eindringen und mitunter sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden. Was die Nanoeindringlinge dann anrichten, ist unklar. Verbraucherund Umweltverbände fordern deswegen schon lange, dass Nanoprodukte gekennzeichnet werden müssen. Bisher existieren jedoch noch nicht einmal verpflichtende nanospezifische Testverfahren, die die Sicherheit eines Produkts vor seiner Markteinführung überprüft, kritisiert der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND).

Und so schön die antibakterielle Wirkung von Nanosilber und Co. in Sportsocken und Badreinigern ist – mindestens drei potenzielle Nachteile würden sich Experten zufolge auf lange Sicht ergeben:

1.Der mangelnde Kontakt mit Schmutz und Mikroben könnte dazu führen, dass die Menschen nur umso sensibler auf Keime reagieren werden.

2.So manche Bakterien könnten resistent gegen die eigentlich antibakteriellen Nanoprodukte werden, welche dann wiederum gerade im medizinischen Bereich nutzlos werden.

3.Außerdem kann das Silber aus Nanoprodukten, das über die Waschmaschine und Abwässer in Kläranlagen und in die Umwelt gelangt, die natürlichen Kreisläufe empfindlich stören, zum Beispiel weil es nach Quecksilber das zweitgiftigste Schwermetall für Tiere und Pflanzen im Wasser ist oder Mikroorganismen im Boden beeinträchtigt.

Deutschland hat 50.000 Nanotech-Jobs

Allein im Jahr 2009 investierten deutsche Ministerien, Bundesländer und Forschungseinrichtungen 441 Millionen Euro an öffentlichen Fördergeldern in die Nano-

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technologie. Nur ein Bruchteil davon fließt in die Risikoforschung. Ähnlich spiegelt sich die Nanotechnologie in den Medien wider: Die Berichterstattung über Nanotechnologie ist stark auf den potenziellen Nutzen hin orientiert, Risiken hingegen werden nur zu einem geringen Teil thematisiert – so lautet das zentrale Ergebnis einer Studie der Universität Münster. Die Kommunikationsforscher hatten dazu 1996 Artikel zum Thema Nanotechnologie untersucht, die in den Jahren 2000 bis 2007 in den großen deutschen Tageszeitungen, den Nachrichtenmagazinen "Focus" und "Spiegel" sowie der Wochenzeitung "Zeit" erschienen sind.

Derweil boomt der Arbeitsmarkt im Bereich Nanotechnologie: Nahezu 700 Unternehmen in Deutschland beschäftigten sich dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zufolge Anfang 2010 mit Nanotechnologien in all ihren Facetten; etwa 50.000 Arbeitsplätze haben direkt oder indirekt mit Nanotechnologie zu tun. Das BMBF bietet in Zusammenarbeit mit dem VDI-Technologiezentrum eine detaillierte Landkarte mit Nanotechnologie-Standorten auf einer eigens eingerichteten Webseite an. Hier sind auch Studiengänge eingetragen, die den Nachwuchs speziell auf die Forschung und Fortentwicklung der Nanotechnologien vorbereiten. Die Mission, das Ziel ist klar: Nano soll groß rauskommen, aus dem Zwerg soll ein Zukunftsriese werden1. (5 500)

Nanotechnologie: Forscher entwickeln das schwärzeste Schwarz der Welt

Finsterer wird es nicht: Ein Material aus Nanoröhren absorbiert 99,965 Prozent des Lichts – neuer Weltrekord. Der Hersteller des schwärzesten Schwarzes will damit unter anderem Weltraumteleskope perfektionieren.

Schwarz ist keine Farbe. Schwarz ist die Abwesenheit von Licht. Je schwärzer ein Gegenstand erscheint, desto mehr des auf ihn fallenden Lichts absorbiert er. Der Extremfall ist ein Schwarzes Loch, das sämtliches Licht verschluckt.

Schon seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler auf der Jagd nach dem perfekten Schwarz. Mit allerlei Tricks versuchen sie, die Reflexion von Materialien zu verringern, etwa indem sie Aluminium erst in eine Phosphor-Nickel-Lösung tauchen und dann in Salpetersäure legen. Nun haben Forscher der britischen Firma Surrey Nanosystems das nach ihrer Aussage schwärzeste Schwarz der Welt hergestellt.

Die Wissenschaftler schreiben im Fachblatt "Optics Express", dass das Material mit dem Namen Vantablack nur 0,035 Prozent des einfallenden Lichts reflektiert. Der bisherige Rekord habe bei 0,04 Prozent gelegen. Das Material besteht aus einer mit Nanoröhren beschichteten Aluminiumfolie. Es könnte beispielsweise Weltraumteleskope verbessern, weil es störende Reflexionen in dessen Inneren minimiert.

Die feinen Röhrchen bestehen aus Kohlenstoff und stehen senkrecht von der Aluminiumoberfläche ab, bilden also eine Art Pelzoberfläche. Einfallendes Licht wird von Röhrchen zu Röhrchen immer wieder reflektiert, bis es schließlich absorbiert wird und die Oberfläche minimal erwärmt. "Das Licht kann eindringen, aber

1 http://www.planet-wissen.de/natur_technik/forschungszweige/nanotechnologie/

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