Flora Robotica

Roboterschwärme werden zu Baumeistern einer völlig neuen Pflanzenarchitektur?

KI-Pflanzen helfen künftig, nachhaltige Städte aufzubauen?

Roboter lassen lebende Mauern wachsen?

Die ersten Schritte sind gemacht.

Eine Gruppe von Informatikern, Robotikern, Zoologen, Zellbiologen, Mechatronikern und Architekten aus Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen entwickelt genau das: Im Projekt „Flora Robotica“ kooperieren biohybride Roboter bereits mit Pflanzen, um ihre Formung zu automatisieren. Sie erweitern die natürlichen Fähigkeiten der Pflanzen, Entscheidungen zu treffen und eröffnen neue Möglichkeiten der Kommunikation zwischen Mensch und Pflanze, sodass ein Benutzer das Wachstum steuern und formen kann. Flora Robotica (florarobotica.eu) ist Basic Research, Grundlagenforschung. Das heißt, die Anwendungen gehen von etwa einer selbsttätigen robotergesteuerten grünen Wand im Haus bis hin zu Visionen, die uns Häuser aus Pflanzen, Möbel oder Parks bescheren und uns den Mars erobern lassen. Denn Pflanzen, von Roboterschwärmen gesteuert, könnten dort die Atmosphäre verändern und den Planeten bewohnbar machen. An der Uni Lübeck sprachen wir mit Heiko Hamann, Professor für Service-Robotik am Institut für Technische Informatik und Leiter des europäischen und EU-geförderten Projekts Flora Robotica. 

Herr Professor Hamann, was tun Sie hier in Ihrem Labor?

Wir verwenden Roboter, um die Richtung des Wachstums der Pflanze zu beeinflussen, das heißt, wir generieren unnatürliches Wachstum, indem wir die adaptiven Fähigkeiten, die sie eh hat, wie zum Licht hin zu wachsen, ausnutzen. Wir nutzen den Fototropismus der Pflanze. Wir setzen Reize, damit die Pflanze ins Licht wächst, überwachen, wo sie ist, und steuern sie.

Licht ist der hauptsächliche Stimulus?

Blaues und rotes Licht! Die Pflanze braucht und absorbiert beides. Die Pflanze ist grün, weil sie Rot und Blau absorbiert, Grün wird reflektiert. Sie unterscheidet auch Rot und Blau, Rot ist ihr Treibstoff, den nimmt sie zur Photosynthese, und blaues Licht benutzt sie fürs Richtungswachstum. Ich könnte in einem Raum viel rotes Licht haben, die Pflanze würde dem nicht entgegenwachsen.

Und wenn nur ein winziges blaues Licht dazukommt, dann wächst sie da hin?

Ganz genau. Wir nehmen sehr helle LEDs.

Aber Sie setzen noch andere Stimuli?

Licht und Richtung sind ja attraktiv, das heißt, wir brauchen auch noch Stimuli, um sie zu stoppen; zum Beispiel Vibration, Temperatur und Substanzen, die ihre Wachstumshormone hemmen. Als Informatiker hab ich ja keine Ahnung von Pflanzen. Und am Anfang dachte ich, man kann ihr besonders viel Licht und Wärme geben, dann wächst die Pflanze schneller. Nix da. Die Pflanzen wachsen, wenn sie gesund sind, in ihrem eigenen Tempo. Das zu beschleunigen geht kaum. Zu viel Licht stresst sie, auch durch Vibration, also zum Beispiel Berührung, wird sie gestresst, und sie stellt dann das Wachstum ein.

Roboter wurden schon in der Vergangenheit eingesetzt, um Pflanzenwachstum zu beeinflussen, etwa in Gewächshäusern. Da geht es um vollautomatisierte Gewächshäuser.

Da wird nach dem Motto geforscht: Wir packen vorn die Tomatensamen rein und hinten kommt die verpackte Tomate raus. Bei uns geht es um eine Symbiose zwischen Robotern und Pflanzen. Das heißt, die Anwendungen reichen von einer selbsttätigen robotergesteuerten grünen Wand im Haus bis hin zu vertikalem und Urban Gardening; es geht um neuartige Infrastrukturen, um Stadtbegrünung und Parks bis hin zu – wie mein Kollege Thomas Schmickl aus Graz es formuliert – Visionen, die uns den Mars zu erobern helfen, denn Pflanzen, von Roboterschwärmen gesteuert, könnten dort die Atmosphäre verändern und den Planeten bewohnbar machen.

Was wäre denn heute schon möglich? Was könnten Sie quasi sofort liefern?

Ein Supersorglosall- inclusive-Pflänzchen, ein Terrarium to go, Gardena 2.0! Es gibt Überlegungen, statt des Armaturenbretts, was man beim autonomen Fahren nicht mehr braucht, dort ein Gärtchen im Wagen anzulegen. Dafür könnten wir das Know-how liefern. Auf kurze Sicht ginge auch ein Pilotprojekt, bei dem drei Gebäude begrünt werden sollen, wir würden unser System dort umsetzen. Das könnten wir nächstes Jahr anfangen.

Noch mal Stichwort „grüne Infrastruktur“?

Was ja nur heißt, wir pflanzen einen Baum in die Stadt. Das eigentliche große Ziel sind nachhaltige Klima- und Umweltbedingungen. Die werden immer wichtiger. Menschen brauchen das Grün, Pflanzen wirken kühlend, dafür können wir die Methoden liefern und die Ausstattung. Beim vertikalen und Urban Gardening fiele die Logistik weg, die Menschen würden wieder sehen: Wo kommt mein Essen her. Das ist das Thema „Wie bringt man die Natur über die Technologie in die Stadt“, sodass die Leute sich nicht abkoppeln von der Natur.

Was bedeutet biohybrid bei einem Roboter eigentlich?

Biohybrid erst einmal, weil wir mit Pflanzen arbeiten plus Roboter. Sie sollen aber auch gleichwertige Rollen spielen, die Pflanze soll dem Roboter auch sagen können, was sie möchte. Das ist zumindest die Philosophie, zwei gleichberechtigte Partner in einem System, wir wollen die Pflanze nicht nur ausnutzen. Am Anfang ist die Pflanze klein und der Roboter noch groß. Er hilft ihr, er gibt ihr ein Klettergerüst, die Pflanze hangelt sich am Roboter hoch; irgendwann wird sie immer größer, dann könnten die Rollen wechseln. Es ist Geben und Nehmen auf beiden Seiten. Im lernenden System der KI wird sie sich einen Lichtschalter anlegen und das Licht für sich steuern können, es an- und abschalten.

Der Roboter reagiert auch auf das, was die Pflanze aussendet? Klappt das schon?

Das versuchen wir. Das ist das Schwierige. Einfach ist aber zu messen, ob es der Pflanze gut geht. Das ist das Mindeste, was man tun kann. Spätestens, wenn es der Pflanze schlecht geht, muss man reagieren.

Und wie messen Sie, was sie aussendet, also ob es der Pflanze gut geht?

Wir messen die Intensität der Fotosynthese, wie sich die Dicke des Stamms verändert im Tag-Nacht-Rhythmus; wenn da viel Saft durchfließt, nachts weniger, tags mehr, so merkt man, sie ist gesund. Wir messen auch ihr elektrisches Potenzial; mit einer Elektrode in der Pflanze misst man, was für eine Spannung vorliegt. Man kann faszinierende Reaktionen in der Pflanze messen! Selbst wenn man sie nur anhaucht, misst man eine Reaktion, wenn man das Fenster öffnet, misst man eine heftige Reaktion. Das ist absolut faszinierend. Das Problem ist nur: Diese Reaktionen können wir noch nicht so richtig interpretieren.

Und Roboterschwärme? Stell ich mir darunter wie in „Matrix“ tausende Maschinen vor, die selbsttätig durch die Rabatten sausen?

Wenn es darum geht, eine Wand aus Pflanzen wachsen zu lassen, brauchen wir viele Roboter. Wir wollen, dass sie sich koordinieren. Die sollen miteinander kommunizieren. Wir haben momentan verschiedene Versuche mit 15 bis 20 Robotern, die zusammenarbeiten sollen. Und es könnten irgendwann bis zu tausend Roboter sein, die auch mobil wären …

 Ist aber immer noch utopisch?

Als Ingenieur sieht man die Herausforderungen, Visionen sind schön, aber wir müssen überlegen, was wirklich realistisch ist. Und als Projekt oder Studie auch finanzierbar. Einen Roboter in den Baum klettern zu lassen beispielsweise, klingt für den Laien vielleicht nicht so spektakulär, aber das wäre in der Tat sehr, sehr schwierig. Der muss ja auch zuverlässig sein und nicht jeden zweiten Tag vom Baum fallen. Das wäre wieder ein ganz anderes Projekt.

 Welche Pflanzen nehmen Sie denn überhaupt? Ist das ausschlaggebend?

Ja! Es ist wichtig, was die Pflanze können muss für so einen Versuch. Wir hatten ja alle keine Ahnung, wir sind Informatiker, unsere zu Hause gehen regelmäßig kaputt. Deshalb war die Idee: Lass uns eine Spezies suchen, die hart im Nehmen ist, die kein Gewächshaus braucht, die auch in einem Robotik-Labor wächst.

Hinter Professor Hamann fällt der Blick auf zwei Büro-Topfpflanzen, die eine wirkt etwas erschöpft. Lacher auf beiden Seiten. „Das gelbe Blatt wollte ich vor Ihrem Besuch noch wegschneiden …“ 

Schon vom Klima her vertragen Pflanzen und Roboter sich eigentlich gar nicht?

Trocken und kühl, das ist unsere Roboterwelt! Und die Pflanzenleute sagen: „Oh, es darf gern schön warm-feucht sein.“ Die Welten passen also so gar nicht zusammen. Aber zur Spezies zurück: Wir lassen Bohnen wachsen! Die sind dankbar. Sie wachsen am Anfang sehr schnell.

Die Bohnen? Die jeder Gymnasiast kennt?

? Ja, ich find’s auch immer ein bisschen peinlich, zugeben zu müssen, dass es „nur“ Bohnen sind. Aber: Pflanzen sind deutlich komplexer und intelligenter, als man denken würde. Auch Bohnen. Die interagieren untereinander. Und sie suchen aktiv nach einem Klettergerüst. Der obere Teil der Pflanze rotiert wirklich und tastet, wo ist da was?!

Hat sich Ihre ganz persönliche Sicht auf die Pflanzenwelt im Laufe der Studie verändert?

Die hat sich sehr verändert. Ich habe auf jeden Fall mehr Mitleid! Auch ein Spaziergang ist nicht mehr der gleiche. Ich schaue mir das alles viel genauer an. Grad jetzt ohne Laub, da schau ich mir die Äste ganz genau an. Ich habe Respekt entwickelt vor Pflanzen, früher hab ich es als Hippiegedanken abgetan, aber inzwischen ist es wissenschaftlich fundiert: Pflanzen einzeln in Töpfe zu setzen, ist unnatürlich. Das ist keine artgerechte Haltung. Weil auch Kommunikation übers Wurzelwerk stattfindet. Man sollte einen riesigen Bottich nehmen und unterschiedliche Pflanzen nebeneinandersetzen, damit sie auch miteinander reden können. Hab ich früher nie drüber nachgedacht. Heute würde ich das so versuchen und es artgerechter machen, damit es ihnen besser geht.

Hätten Sie je gedacht, dass ausgerechnet Sie als technischer Informatiker bzw. Ihre Disziplin Service-Robotik den Menschen die Natur wieder näherbringen kann? Vielleicht so sogar die Angst vor KI und Robotik nehmen kann?

So was kann man sich ja nicht erträumen! Es ist wunderschön, dass es passiert ist, und ich hoffe auch, dass ich den Gedanken weitertragen kann. Und skeptische Reaktionen finde ich normal. Vor fünf Jahren, als wir die Idee zu diesem Projekt hatten, hatten wir selbst noch Scheuklappen auf. Roboter und Pflanzen? Statt das große Ganze zu sehen, haben auch wir mit unserer Prägung und Erfahrung erst einmal skeptisch reagiert.