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25. September 2018

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Der Roboter als Künstler

Der Roboter als Künstler© TU Wien

Als „String Art“ bezeichnet man Bilder aus kunstvoll gespannten Fäden. Was bisher Erfahrung und eine ruhige Hand benötigte, ist an der TU-Wien nun mit einem Roboter gelungen. Das ganze dient auch als Beispiel für komplexere Aufgaben etwa in der digitalen Fabrikation.

In der Grundidee befinden sich auf einem Brett Nägel, wo dazwischen lange Faden so hin und her gespannt werden, dass ein bestimmtes Bild entsteht. Damit lassen sich interessante geometrische Muster produzieren und mittels einer ausgeklügelten Anordnung der Fadenlinien auch Portraits. An der TU Wien wurde diese Kunstform nun automatisiert: Beliebige Bilder können verwendet werden, der Computer berechnet den optimalen Faden-Weg, der das gewünschte Bild möglichst exakt wiedergibt. Ein Industrie-Roboter übernimmt sodann die Arbeit des Fadenspannens und erzeugt ein kreisrundes Fadenbild.

Unzählige Möglichkeiten
„Aus wissenschaftlicher Sicht ist das ein sehr interessantes Problem, weil es ganz besonders schwer zu lösen ist“, erläutert Przemyslaw Musialski vom Institut für Diskrete Mathematik und Geometrie der TU Wien. Im Allgemeinen lässt sich ein Bild auf diese Weise nicht exakt reproduzieren – schließlich kann mit der Faden-Methode keine einzelnen Bildpunkte gesetzt werden, sondern nur durchgängige Linien. Aufgabe ist eine möglichst gute Näherungslösung zu finden.
Zudem ist die Anzahl der Möglichkeiten, wie ein Faden zwischen einer größeren Anzahl von Nägeln gespannt werden kann, astronomisch hoch. Es ist völlig unmöglich, alle denkbaren Varianten durchzuprobieren. „Zu dieser Klasse von Aufgaben gehören Rechenprobleme, die mit Computern in überschaubarer Zeit nicht exakt gelöst werden können“, so Musialski.
Für die Erstellung des Bildes wird ein Kreis aus 256 Haken verwendet. Der Faden kann jeweils von der rechten oder linken Seite jedes Hakens zur rechten oder linken Seite jedes anderen Hakens gespannt werden. Schon bei ungefähr 30 Fadenlinien ergeben sich somit mehr mögliche Varianten als das beobachtbare Universum Atome hat. Um ein erkennbares Bild wiederzugeben, braucht man nun noch viel mehr Linien. Es ist daher eine große mathematische Herausforderung, aus der unüberblickbaren Vielzahl an möglichen Wegen den einen herauszufinden, der das gewünschte Bild möglichst gut reproduziert.

Der Präzisions-Roboterarm als Fadenkünstler
Die mathematische Lösung des Problems war eine Herausforderung, finales Ziel war echte „String Art“ völlig automatisiert zu produzieren und dafür wurde ein hochpräziser Industrie-Roboter eingesetzt, der normalerweise an der Fakultät für Architektur der TU Wien zum Fräsen komplizierter 3D-Formen verwendet wird. Der Roboterarm spannt einen einzigen langen Faden zwischen den 256 Haken, sodass am Ende ein kreisrundes Fadenbild mit 63cm Durchmesser entsteht. Auch für den Industrieroboter ist die Aufgabe nicht im Handumdrehen erledigt: Je nach Bildmotiv dauert die Produktion 2-5 Stunden und benötigt zwischen 2 und 6 Kilometer Faden.
Unterstützt wurde das Team der TU Wien von Peter Wonkas Arbeitsgruppe an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. „Auch wenn unser Roboter hübsche Bilder erzeugt, ist unsere Arbeit natürlich kein Kunstprojekt“, betont Musialski. „Letztlich wollen wir zeigen, wie man besonders schwierige technische Probleme am besten lösen kann. Im String-Art-Projekt arbeiten wir mit Methoden, die in Zukunft auch in der digitalen Fabrikation eine wichtige Rolle spielen werden.“

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red/cc, Economy Ausgabe Webartikel, 13.09.2018