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Göttingen Göttinger Forscher: Neue Methode stabilisert Chaos
Campus Göttingen Göttinger Forscher: Neue Methode stabilisert Chaos
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17:00 24.09.2013
Neues vom sechsbeinigen Roboter Amos: Theorie zur Verringerung der Reaktionszeit. Quelle: pug/bccn
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Göttingen

In beiden Fällen muss ein chaotisches System in einen stabilen, geordneten Zustand überführt werden. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS), dem Bernstein Center for Computational Neuroscience Göttingen und der Universität Göttingen haben eine Methode entwickelt, wie dies schneller als bisher geschehen kann. Der Schlüssel zum Erfolg: Weniger von außen eingreifen, dafür aber geschickt das natürliche Verhalten des Systems ausnutzen.

Wenn das Gelände, in dem sich Amos bewegt, plötzlich steiler wird, kann der insektenartige Roboter gekonnt reagieren: Nach kurzem Zögern wechselt er ganz von selbst die Gangart und wählt für seine sechs Beine ein anderes Bewegungsmuster, um die Schräge zu erklimmen. Amos‘ „Gehirn“, ein vergleichsweise winziges Netzwerk aus wenigen Verschaltungselementen, läuft dabei auf Hochtouren. Lässt sich dieser „Denkprozess“ beschleunigen?

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Eine Antwort auf diese Frage haben jetzt Göttinger Forscher gefunden. Ihre Berechnungen zeigen, wie sich Amos‘ Reaktionszeit deutlich verkürzen lässt.

Chaotische Systeme sind störanfällig

Die neue Methode ist nicht nur für den sechsbeinigen, autonomen Roboter geeignet, den ein Team um den theoretischen Physiker Prof.  Marc Timme vom MPIDS, Leiter der neuen Studie, und den Roboterexperten Dr. Poramate Manoonpong von der Universität Göttingen vor drei Jahren entwickelt hat und seitdem optimiert, sondern prinzipiell auf jedes System, in dem Chaos in Ordnung überführt werden soll.

„Jedes chaotische System ist sehr störanfällig“, erklärt Timme. Schon kleinste äußere Veränderungen können ein völlig anderes Verhalten auslösen. Im Fall von Amos würde dies bedeuten: Sein „Gehirn“ würde ein chaotisches Aktivitätsmuster produzieren; die Signale würden wild durcheinander schießen.

Um dieses Muster in ein geordnetes zu überführen, braucht das System Hilfe. Wissenschaftler sprechen von Chaoskontrolle. Bei der gängigsten Methode wird zunächst berechnet, wie sich das System in naher Zukunft verhalten wird. Im zweiten Schritt wird diese Information in ein Kontrollsignal verwandelt, mit dem die Entwicklung des Systems korrigiert wird. Es ist, als erhalte das System einen kleinen Stups, der es wieder auf Spur bringt.

Schneller zum gewünschten Ziel

Doch weniger einzugreifen, kann sogar schneller zum Ziel führen, wie das Göttinger Forscherteam nun gezeigt hat. „Der Trick besteht darin, dass wir das System nur gelegentlich in Richtung des gewünschten, stabilen Zustandes stoßen“, erläutert Dr. Christian Bick vom MPIDS.

„Dadurch dass wir das System ab und zu sich selbst überlassen, strebt es schneller dem gewünschten Ziel zu.“ Das System darf sich sozusagen – mit ein wenig Unterstützung von außen – selbst stabilisieren.

„Auf den ersten Blick sieht diese Methode nach einem Umweg aus“, so Bick. Doch die Eigenstabilisierung des Systems sei ausgesprochen effizient und schnell. Von außen müsse nur gelegentlich eingegriffen werden, damit das System auf dem selbst gewählten Weg nicht vom rechten Pfad abkommt.

Kompliziertere Bewegungsmuster stabilisieren

In ihren Rechnungen konnten die Forscher zeigen, dass je nach System die neue Methode hundert bis tausend Mal schneller sein kann und dabei deutlich weniger Eingriffe erfordert. „Zudem ließen sich theoretisch so bei Amos auch kompliziertere Bewegungsmuster stabilisieren“, ergänzt Timme.

Denn je komplizierter der Bewegungsablauf und damit das entsprechende Aktivitätsmuster ist, desto mehr Eingriffe von außen waren bisher nötig, um es zu erhalten. „Auf diese Weise könnte Amos neue Gangarten wählen, die sich bisher nicht umsetzen ließen.“

Bisher ist die neue Methode jedoch nur ein theoretisches Konzept. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher das neue Konzept auch in der Praxis auf Amos anwenden. Und auch weitere Anwendungen sind denkbar, etwa wenn Chaoskontrolle benutzt wird, um Herzrhythmen zu stabilisieren oder um chaotische Laser zu betreiben.

eb