Mit Kosten von weniger als 3000 Yuan hat ein Geek einen zweibeinigen Roboter zu einem Spottpreis hergestellt, wobei alte Smartphones zum größten Helfer des Projekts wurden.

Roboter sind in den letzten zwei Jahren immer populärer geworden, aber die Preise der meisten Roboter sind noch nicht so niedrig, dass jeder normale Mensch einen eigenen haben kann. Derzeit gibt es zwar Marktteilnehmer wie Qiyuan, die „persönliche Roboter“ anbieten, aber ein voll funktionsfähiger und vollständig strukturierter humanoider Roboter kostet mindestens mehrere zehntausend Yuan, ganz zu schweigen von Modellen mit Preisen von über hunderttausend oder mehreren hunderttausend Yuan.

Kürzlich hat das Forschungsteam der University of California, Los Angeles, ein besonderes Konzept vorgestellt: ein zweibeiniger Roboter mit einem Gewicht von 1,8 Kilogramm, dessen Materialkosten nur etwa 400 US-Dollar (ca. 2677 Yuan) betragen. Das ist ziemlich erstaunlich – wie haben sie das geschafft? Das Team von Leitech Giant Body Intelligence (ID: leitech) hat nachgeforscht und festgestellt, dass das Konzept hinter diesem Produkt noch interessanter ist als das Produkt selbst.

Zweibeiniger Roboter für 400 US-Dollar, der von einem Smartphone angetrieben wird

Kürzlich erschien eine Arbeit auf arXiv, die einen Roboter namens PhoneBot vorstellt. Die Autoren der Arbeit stammen aus dem RoMeLa-Labor der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der UCLA.

Zu den spezifischen Parametern gehört, dass der gesamte PhoneBot 483 Millimeter hoch ist, 1,8 Kilogramm wiegt und 13 Freiheitsgrade hat, wobei jedes Gelenk von einem Servomotor mit einem Stückpreis von 23,9 US-Dollar angetrieben wird. Das Wichtigste ist, dass er von einem Smartphone angetrieben wird. Genauer gesagt ist das Smartphone am Rumpf des Roboters befestigt und dient gleichzeitig als Sensor-Set, On-Board-Computer und Schnittstelle für die Interaktion des Roboters.

Den Angaben zufolge verfügt dieser Roboter über Fähigkeiten wie Gehen, Aufstehen, Menschen folgen, Fotografieren und Dialoginteraktion.

(Quelle: PhoneBot)

Ein Roboter von einem Smartphone antreiben zu lassen, klingt unglaublich, aber PhoneBot hat es tatsächlich geschafft. Als beliebtestes Konsumelektronikgerät der Gegenwart weist das Smartphone einen extrem hohen Integrationsgrad auf und ist mit Kamera, SoC, Bildschirm, WLAN, Akku und anderen Komponenten ausgestattet – alle diese Teile können vom Roboter genutzt werden und werden Teil seiner Fähigkeiten. Mit dem ausgestatteten Smartphone kann PhoneBot die Kamera für die Bildwahrnehmung nutzen, den Chip für Berechnungen und Schlussfolgerungen verwenden und über das Netzwerk auf Daten und Cloud-Rechenleistung zugreifen.

Natürlich sind die eingangs genannten Materialkosten von 400 US-Dollar nicht im Preis des Smartphones enthalten, aber für die Tests von PhoneBot wurden ältere Smartphone-Modelle wie moto G2025 oder Samsung Galaxy A15 verwendet, deren Gebrauchtpreis fast immer unter 100 US-Dollar liegt.

Selbst wenn man die Hardwarekosten des Smartphones mit einrechnet, liegen die gesamten Materialkosten von PhoneBot unter 500 US-Dollar, was umgerechnet nur etwas mehr als 3000 Yuan entspricht – das ist absolut ein extrem gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Außerdem wurden Versuche, Roboter von Smartphones antreiben zu lassen, schon sehr früh begonnen. Bereits 2021 gab es ein Projekt namens OpenBot, bei dem ein gewöhnliches Android-Smartphone die Verfolgung und Navigation eines vierrädrigen Roboters übernahm. PhoneBot hat diesen Ansatz nun auf zweibeinige Roboter übertragen – was eigentlich weit schwieriger ist als bei vierbeinigen Modellen: Zweibeinige Roboter müssen beim Stehen und Ausführen von Bewegungen ihr Gleichgewicht in Echtzeit halten. Um dies zu erreichen, reicht es nicht aus, einfach ein Smartphone anzuschließen.

Das Smartphone übernimmt Wahrnehmung, Rechenleistung und Interaktion des Roboters

Einfach ausgedrückt lautet das Konzept von PhoneBot: Das Smartphone wird am Rumpf angebracht und übernimmt die Rolle von Augen, Ohren und Gehirn des Roboters. Das Team hat seine Aufgaben in drei Bereiche unterteilt: Einer ist für die Bewegung zuständig, einer für die Bilderkennung und einer für die Sprachausgabe.

Der Bereich Bewegung ist der wichtigste. Eine Android-Anwendung auf dem Smartphone liest gleichzeitig die Daten des Gyroskops und des Beschleunigungsmessers im Smartphone sowie die aktuellen Winkel der dreizehn Motoren an den Beinen und kombiniert dies mit den Anweisungen des Nutzers, um eine Information über den aktuellen Zustand des Geräts zu erstellen.

Auf dem Smartphone ist zudem ein vortrainiertes kleines Modell installiert, das nach Erhalt der Informationen sofort berechnet, in welche Position jedes Bein gebracht werden soll. Anschließend werden die Anweisungen über WLAN an eine kleine Umwandlungsplatine weitergeleitet, die sie an die Motoren gibt. Das Gehen des Roboters, das Aufstehen vom Boden und das Anpassen der Ausrichtung werden alle über dieses Muster realisiert.

(Quelle: PhoneBot)

Der gesamte Bereich der Bilderkennung wird direkt auf dem Smartphone ausgeführt. Die rückwärtige Kamera des Smartphones erkennt Personen und Objekte. In Kombination mit Anweisungen zur Ausrichtung kann der Roboter Menschen folgen oder seinen Blick in eine bestimmte Richtung lenken. Auch die Positionsbestimmung wird von dem Smartphone übernommen: Es berechnet seine eigene Position anhand der Daten von Kamera und Gyroskop, ohne dass ein separates Positionsbestimmungsgerät erforderlich ist. Der Bildschirm dient zur Anzeige von Zuständen und Bildern, sodass Nutzer den Roboter direkt auf dem Smartphone steuern können.

Der Bereich Sprachausgabe ist etwas komplexer. Das Smartphone übernimmt die Aufnahme und Wiedergabe von Ton, aber die rechenintensive Umwandlung von Sprache in Text und die Schlussfolgerung durch große Modelle erfolgen zunächst auf einem nebenstehenden Laptop. Die Ergebnisse werden an das Smartphone zurückgesendet und dann wiedergegeben.

Um das Gehen zu erlernen, hat das Team von PhoneBot zuerst auf dem Computer trainiert. Zuerst haben sie die tatsächliche Kraft jedes Motors am Roboter genau berechnet, dann ließ der Roboter in einer simulierten Umgebung wiederholt Fehler machen, stürzen und neu anfangen, bis er stabil laufen konnte. Während des Trainings hat das Team zudem die Bewegungen des linken Beins auf das rechte Bein gespiegelt, sodass beide Seiten gleichzeitig trainiert werden konnten. Diese Trainingsläufe wurden fünfmal wiederholt, um Vergleichsdaten zu erhalten – durch die Spiegelung lernte der Roboter schneller und lief stabiler.

Wie bereits erwähnt, verwendet PhoneBot ältere Smartphone-Modelle mit durchschnittlicher Konfiguration, aber bei der Steuerung des Roboters ist die Hardwareauslastung nicht hoch. Nach den vom Team bereitgestellten Daten liegt die CPU-Auslastung beim Lesen der Gyroskopdaten zwischen 8,5 % und 13,4 %, bei der Berechnung der Gehhaltung zwischen 6,3 % und 10,3 %, bei der Erkennung von Personen und Objekten zwischen 15,6 % und 17,9 % und bei der positionsbestimmung, die die meisten Hardwareressourcen verbraucht, zwischen 25 % und 34,3 %.

Dieser Test zeigt, dass PhoneBot keine hohen Anforderungen an Smartphones stellt. Der Roboter nutzt einfach die Kamera, das Gyroskop, die Rechenleistung und das Systemökosystem, die Smartphones in den letzten Jahren angesammelt haben – die genaue Marke und das Modell spielen keine so große Rolle. Die niedrigen Kosten von PhoneBot ergeben sich im Grunde daraus, dass alle Hardware-Ressourcen des Smartphones maximal ausgenutzt werden: Man nutzt alles, was verfügbar ist, und spart, wo es nur geht.

Natürlich gibt es noch einen sehr wichtigen Punkt: Dieser Roboter hat keine Arme. Seine wichtigste Bewegungsfähigkeit sind nur die zwei Beine zum Gehen und Ausführen von Bewegungen. Außerdem ist er sehr klein und kann keine komplexen Aufgaben wie Lasttragen oder Treppensteigen ausführen. Letztendlich handelt es sich bei ihm nur um ein Testgerät für Labore.

Werden alte Smartphones zu einem Schlüssel für die Verbreitung von Robotern?

Smartphones sind wahrscheinlich die Konsumelektronikgeräte mit dem kürzesten Aktualisierungszyklus. Jedes Jahr werden weltweit Hunderte Millionen Smartphones ausrangiert. Diese Geräte sind mit Kamera, Bildschirm, Chip und verschiedenen Sensoren ausgestattet, die meisten davon funktionieren einwandfrei und werden nur ausrangiert, weil sie nicht mehr neu sind. Sehr oft enden diese Geräte damit, dass sie zerlegt werden, um Materialien zu extrahieren – was eine enorme Verschwendung massiver Hardware-Ressourcen darstellt.

Das Erscheinen von PhoneBot bietet gebrauchten Smartphones eine neue Verwendungsmöglichkeit: Diese ungenutzte Rechenleistung und Sensoren können in solchen kleinen Robotern eingesetzt werden. Es stellt zudem ein neues Konzept vor: Das „Gehirn“ des Roboters kann als Verbrauchsmaterial betrachtet werden, während der Roboter-Körper das langlebige Bauteil darstellt. Smartphones werden alle zwei bis drei Jahre ausgetauscht, und die ausgemusterten Modelle können direkt in den Roboter eingebaut werden. Auf diese Weise kann der Roboter sein „Gehirn“ austauschen, genau wie man einen Akku austauscht – er wird zu einem modularen Gerät.

Natürlich sind die Nachteile dieses Konzepts auch offensichtlich. Smartphones sind nicht für Roboter entwickelt, sodass Aspekte wie Wärmeableitung und Stromversorgung neu angepasst werden müssen. Unterschiedliche Konfigurationen von Smartphone-Modellen wirken sich direkt auf die Betriebsergebnisse des Roboters aus. Außerdem fehlt es an Garantien für Qualität und Stabilität von gebrauchten Geräten. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass Smartphones letztendlich keine extrem hohe Rechenleistung liefern können. PhoneBot wird zwar von einem Smartphone angetrieben, benötigt aber trotzdem einen externen PC, um einen Teil der Rechenleistung bereitzustellen. Ganz zu schweigen davon, dass PhoneBot selbst ein sehr einfacher kleiner Roboter ohne Arme ist.

Trotzdem hat PhoneBot bewiesen, dass das Konzept, einen Roboter von einem Smartphone antreiben zu lassen, funktioniert. Damit liefert es ein kostengünstiges Konzept, von dem die gesamte Branche profitieren kann. Für die gesamte Roboterindustrie liegt die Bedeutung von PhoneBot vielleicht nicht darin, dass es sofort als Konsum-Hit auf den Markt kommt, sondern darin, dass es die Hardware-Einstiegshürden für zweibeinige Roboter senkt. Lange Zeit haben die hohen Entwicklungskosten von bionischen Robotern unzählige Entwickler, Studententeams von Hochschulen und Startups davon abgehalten, in diesen Bereich einzusteigen.

(Quelle: PhoneBot)

Die Architektur von PhoneBot – „günstiger Roboter-Körper + Gehirn aus gebrauchtem Smartphone“ – spielt im Grunde die gleiche Rolle wie der Raspberry Pi im Roboterbereich. Sie hat das Potenzial, ein riesiges Ökosystem aus Entwicklern aus der breiten Masse zu schaffen, sodass mehr Menschen die Möglichkeit erhalten, ihren eigenen zweibeinigen Roboter zu entwickeln und zu trainieren.

Zudem wird mit der stetigen Verbesserung der Rechenleistung von KI-Chips auf Geräte-Seite der Nachteil von PhoneBot, derzeit noch auf einen externen PC für komplexe Sprachverarbeitung angewiesen zu sein, in absehbarer Zukunft behoben werden. Heutzutage können die neuesten Flaggschiff-Smartphone-Chips bereits große lokale Modelle mit mehreren Milliarden Parametern flüssig ausführen und komplexe Sprachverständnisaufgaben sowie natürliche Dialoge direkt auf dem Gerät durchführen.

Stellen Sie sich vor: In zwei bis drei Jahren, wenn Smartphones mit heutigen Flaggschiff-SoCs massiv auf den Gebrauchtmarkt gelangen, werden ihre neurale Rechenleistung und Sensorengenauigkeit weit höher sein als die der einfachen älteren Modelle, die derzeit für die Tests von PhoneBot verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt reicht bereits ein einzelnes Smartphone aus, um solchen kleinen Robotern deutlich intelligentere Fähigkeiten zu verleihen.

Aus Sicht des Geschäftsmodells könnte im Roboterbereich eine Produktform entstehen, die der PC-Industrie ähnelt: der „Barebone-Roboter“. Hardware-Hersteller verkaufen nur standardisierte Roboter-Körper, Akkus und Antriebskomponenten und senken so den Preis der grundlegenden Bewegungshardware. Normale Nutzer müssen nur ihr altes Smartphone in den Roboter-Körper einlegen, um es als Gehirn zu nutzen, und eine spezielle App herunterladen – schon kann das Gerät aktiviert werden.

Dies entspricht nicht nur den Anforderungen des weltweiten umweltfreundlichen Recyclings von Elektroschrott, sondern kann auch dafür sorgen, dass Geräte wie Haushaltsbegleitroboter und Bildungsroboter wirklich flächendeckend verbreitet werden.