Robotik: Schlagzeug spielen mit bionischer Prothese

Eine robotische Prothese ermöglicht es einem Armamputierten, Schlagzeug zu spielen. Der Drummer kontrolliert einen Stock. Ein Zweiter spielt automatisch und variiert das Spiel des Drummers und seiner Mitmusiker.

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Robotische Prothese: Steuerung per EMG und automatisch
Robotische Prothese: Steuerung per EMG und automatisch (Bild: GA Tech/Screenshot: Golem.de)

Wenn Jason Barnes Schlagzeug spielt, dann schlägt er mit drei, nicht mit zwei Stöcken den Takt: Er hat eine robotische Prothese am rechten Arm, an deren Ende zwei Stöcke befestigt sind.

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Beide Stöcke werden über Motoren bewegt. Den einen steuert Barnes willkürlich: Über Sensoren, die an seinen Bizeps angelegt werden, werden elektrische Muskelsignale, sogenannte elektromyografische Signale, erfasst. Spannt er den Bizeps an, wird der Motor aktiviert.

Schnelligkeit und Griff

Über die Muskelspannung kontrolliert er die Schnelligkeit des Stocks und wie fest der Greifer ihn hält. Durch die Festigkeit des Griffs werden der Anschlag und das Abfedern des Sticks vom Fell variiert.

Der Motor für den zweiten Stock hingegen wird automatisch gesteuert - in Reaktion auf den ersten: Er verfügt über ein Mikrofon und einen Beschleunigungssensor. Letzterer erfasst den Rhythmus von Barnes' Spiel. Das Mikrofon erfasst neben dem Schlagzeug auch noch, was die anderen Musiker spielen. Ein Algorithmus errechnet einen Beat, der dazu passt, und setzt ihn um.

Inspiration durch Roboterarm

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"Jason kann den robotischen Stock von der Trommel wegziehen, wenn er die Kontrolle komplett übernehmen will. Oder er erlaubt ihm, selbstständig zu spielen, und lässt sich davon, wie sein Arm auf sein Spiel reagiert, überraschen und inspirieren", erklärt Gil Weinberg die Funktionsweise der robotischen Prothese. Weinberg arbeitet am Center for Music Technology des Georgia Institute of Technology in Atlanta. Er hat die Prothese entwickelt.

Barnes verlor bei einem Unfall vor zwei Jahren seinen rechten Unterarm. Er baute sich daraufhin eine eigene Prothese, um seinen Traum, eine Karriere als Profi-Drummer, weiter verfolgen zu können. Obwohl er damit nicht mehr so gut spielen konnte wie vor dem Unfall, schaffte er die Aufnahme an einer Musikhochschule. Einer seiner Lehrer stellte ihn Weinberg vor, der dann die neue robotische Prothese entwickelte.

Dritter Arm

Für Barnes geht es in erster Linie um das Schlagzeugspielen. Weinberg denkt noch an weitere Anwendungen: "Bei Musik ist Zeit ein wichtiger Faktor. Man hört Unterschiede zwischen zwei Schlägen, selbst wenn diese sich nur um Millisekunden unterscheiden", sagt der Forscher. "Wenn wir Maschinenlernen dazu nutzen können, aus Jasons Muskel- und in Zukunft aus seiner Gehirnaktivität zu schließen, wann er trommeln will, und den Stock in diesem Moment dazu bringen zu schlagen, dann können beide Arme synchronisiert werden." Das könnte die synchrone Steuerung eines Roboterarms ermöglichen, den Chirurgen bei einer Operation oder Astronauten bei schwierigen Einsätzen zusätzlich zu ihren eigenen einsetzen könnten.

Weinberg hat bereits mehrere musikalische Roboter gebaut: den Trommler Haile und den Marimba-Spieler Shimon. 2012 stellte er auf der Konferenz Google I/O den musikalischen Roboter Shimi vor: Der Roboter ist ein Gerät, das Musik abspielt. Zudem bewegt er sich zum Rhythmus seiner eigenen Klänge.

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