Blick auf das Spielfeld des Tischkickers mit schwarzen und weißen Stangenspielern.

Elfmeterschießen in der Pförtnerloge

So schön kann Fußball sein  und ein Informatikstudium: Studierende der Hochschule Darmstadt (h_da) programmieren in ihrem Semesterprojekt einen Tischkicker mit Künstlicher Intelligenz und tragen so auch dazu bei, das mitunter angstbesetzte Thema "KI" begreifbar zu machen. 

Von Christina Janssen und Paul-Anton Gerlitz (Film), 27.7.2021

Das Trainingslager ist die frühere Pförtnerloge: Die Stimmung in dem lichtdurchfluteten Raum am Fachbereich Informatik ist ausgelassen. Eine Gruppe Studierender umringt „ihren“ Tischkicker, ein Spielgerät der besonderen Art: Wie von Geisterhand drehen sich die schwarzen Stangenspieler. Ohne menschliches Zutun kicken sie den Ball übers Feld. Auf der anderen Seite geben die Studierenden mit den weißen Figuren Kontra. Mensch gegen Maschine.

Im Rahmen ihres Semesterprojekts haben die jungen Informatiker den Tischkicker mit Künstlicher Intelligenz (KI) trainiert, ihn mit Unmengen an Simulationsdaten gefüttert, bis die schwarzen Figürchen sich wie Spieler verhielten, statt sinnlos an ihren Stangen zu zappeln. Jetzt liegt ein Hauch von Wembley in der Luft. Während Deutschlands Nationalelf bei der Europameisterschaft längst ausgeschieden ist, bangen die Studierenden an der h_da um ihren Manuel Neuer aus Hartplastik… Jubel – der KI-Torwart hat gehalten. Ein Erfolg für das Tischkicker-Team, das an diesem Tag den Abschluss des Projekts mit Präsentationen, Pizza und einigen Partien am Tischkicker feiert – wenn auch coronakonform mit Masken und Abstand.

Wird der Tischkicker irgendwann unbesiegbar?

"Automatisierte Tischkicker gibt es bereits“, erklärt Informatikerin Elke Hergenröther, die das Lehrprojekt gemeinsam mit ihren Kollegen Gunter Grieser und Björn Frömmer leitet. „Das Besondere an diesem Tischkicker ist: Er lernt durch jeden Spielzug eigenständig hinzu.“ Zwar wird es aufgrund begrenzter Ressourcen und Rechnerkapazitäten noch eine ganze Weile dauern, doch irgendwann könnte der Tag X kommen: Dann wird der Tischkicker vielleicht nahezu unbesiegbar. „Das wollen wir aber gar nicht“, scherzt Masterstudent Ludwig Samuel. „Es soll ja noch Spaß machen, gegen den Kicker anzutreten.“

Neun Studierende waren im zurückliegenden Semester am Tischkicker-Projekt um Professorin Elke Hergenröther, Expertin für Visual Computing, und Gunter Grieser, Professor für Theoretische Informatik und Künstliche Intelligenz, beteiligt. Bei allen hält sich die Begeisterung für Fußball im „echten“ Leben in Grenzen. Doch im Tischkickerraum werden sie zu Ballstrategen. „Zu Beginn des Semesters konnten wir über unser System nur den schwarzen Torwart ansteuern“, berichtet Masterstudent Julian Fess. „Jetzt sind alle Stangenspieler über unser KI-Programm bespielbar.“ Wie ein Mensch lernt der KI-cker durch Beobachtung und Nachahmung, durch Belohnung und Bestrafung. „Reinforcement Learning“ heißt diese Strategie. Masterstudent Adriatik Gashi erklärt das so: „Die Maschine agiert zunächst nach dem Zufallsprinzip und beobachtet die Reaktionen. Wenn der Agent – so nennen wir das Softwarepaket, das wir für die schwarzen Spieler programmiert haben – einen Ball weit nach vorne spielt oder ein Tor schießt, gibt es Pluspunkte. Wenn er ein Tor kassiert, gibt es Punktabzug.“ So lernt das System, welche Spielzüge ‚gut‘ und welche ‚schlecht‘ sind und kann daraus eigene Strategien ableiten. Das „Gehirn“ des Computers ist ein sogenanntes neuronales Netzwerk, das kontinuierlich und selbständig weiterlernt. Unermüdlich – denn Maschinen kennen keinen Frust.

Algorithmen als Torjäger

Um das System virtuell zu trainieren, verwendet das Trainerteam eine mit der Software Unity programmierte Simulation, die den Tischkicker detailgetreu virtuell abbildet. „In dieser Simulation hält unser Torwart schon 80 Prozent der Bälle“, freut sich Ludwig Samuel. In der praktischen Umsetzung am Kicker hapert es beim Elfmeterschießen allerdings noch. „Da sind Eigentore an der Tagesordnung“, schmunzelt Elke Hergenröther. Die Professorin spricht von einer „Reality Simulation Gap“, einer Lücke zwischen den Erfolgen in der Simulation und dem, was sich davon am KI-cker praktisch umsetzen lässt. Über dessen Spielfeld ist eine Kamera installiert, die den orangefarbenen Ball im Fokus hat. Alle Spielzüge, alle Bewegungsabläufe werden gefilmt, auf einen Rechner übertragen und dann durch Rechenverfahren, sogenannte Algorithmen, analysiert. „Die Verarbeitung der Kamerabilder ist noch zu langsam“, erklärt „Nationaltrainerin“ Hergenröther. „Deshalb läuft es in der Simulation besser als in der Realität.“ Stoff für weitere Semester.  

Zu Beginn hätten einige Studierende das Tischkicker-Projekt unterschätzt, berichtet Gunter Grieser. „Einige dachten, sie könnten diese Aufgabe in kurzer Zeit erledigen.“ Am Ende hatten alle dazugelernt, nicht nur über das Thema Künstliche Intelligenz, sondern auch über Teamarbeit und Bescheidenheit. „Learning by burning“, nennt Grieser das. „Es war harte Arbeit“, findet auch Julian Fess, „aber wir hatten Spaß, die Arbeit hat sich gelohnt.“

  • Elfmeterschießen in der Pförtnerloge: Das „Trainerteam“ stellt den KI-Tischkicker auf die Probe. Der mit Künstlicher Intelligenz programmierte Torwart hält in der Simulation 80 Prozent der Bälle. (Alle Bilder: h_da / Paul-Anton Gerlitz)

  • Hat hier der Fußballgott die Hand im Spiel? Die schwarzen Figuren das Tischkickers werden von Maschinen bewegt, die über Künstliche Intelligenz gesteuert werden. Das weiße Team spielen die Studierenden von Hand.

  • Virtuelles Training: Das Tischkicker wurde in einer Simulationssoftware abgebildet, um die KI mit virtuell erzeugten Spielverläufen zu trainieren. Im weitgehend präsenzfreien „Corona-Semester“ war das für Studierende wie Lehrende ein exzellenter „Plan B“.

  • Kraftprotz: Die Motoren des Tischkickers von Bosch Rexroth kommen genau so auch in der Industrie zum Einsatz. „Damit könnten wir den Ball locker durch die Wand schießen“, sagt Professorin Elke Hergenröther.

  • Coaching-Zone: Über die Rechner der beiden Master-Studierenden Adriatik Gashi (Erster von rechts) und Ludwig Samuel (Mitte) wird die Simulation auf den Tischkicker übertragen. 

Seit fünf Semestern steht der Tischkicker in der ehemaligen Pförtnerloge des „FBI“ an der Hochschule Darmstadt. Gelegentlich kehrt er in das Unternehmen zurück, das ihn gebaut und der h_da zu Verfügung gestellt hat. Die Firma Bosch Rexroth aus Lohr im Spessart hat sich auf Antriebs- und Steuerungstechnik spezialisiert, von ihr stammen auch die Motoren des Kickers. „Die sind für einen Tischkicker natürlich viel zu stark“, erklärt Elke Hergenröther, „sie könnten den Ball hier glatt durch die Wand schießen.“ Doch im Falle des Tischkickers geht es nicht um Kraft, sondern um innovative Ingenieurskunst: Bosch Rexroth will den intelligenten Kicker nutzen, um zu zeigen, was im Bereich Steuerung mit Künstlicher Intelligenz möglich ist.

Thema „Künstliche Intelligenz“ auch für Laien anschaulich machen

Allen Beteiligten ist es außerdem ein Anliegen, das oft mit Argwohn beäugte Thema „KI“ auch für Laien begreifbar zu machen. Eingefädelt wurde die Zusammenarbeit mit der h_da vor drei Jahren von einem Alumnus, der inzwischen beim Lohrer Spezialisten als Projektleiter tätig ist. Seitdem pendelt die riesige Maschine zwischen Darmstadt, dem Spessart und den internationalen Metropolen, in denen Bosch Rexroth den KI-cker auf Messen vorführt. Wenn die gigantische Holzkiste mit dem 400 Kilogramm schweren Gerät angeliefert und die sperrige Maschine dann von den Hochschul-Hausmeistern mit Gabelstaplern ins Gebäude bugsiert wird, ist es jedes Mal ein Spektakel. Masterstudent Ludwig Samuel hat das neugierig gemacht: „Ich habe das beobachtet und habe gestaunt. Das wollte ich mir unbedingt mal genauer ansehen…“

Das Praxisprojekt für die Studierenden ist allerdings nur ein Ausschnitt dessen, was an der h_da im Bereich KI-Forschung geschieht. „Wir arbeiten auch an Projekten im Bereich autonomes Fahren oder Fliegen und im Bereich Sprach- und Wissensverarbeitung“, betont Gunter Grieser. Die Kabinenansprache nach der Projektpräsentation endet mit Lob für die Studierenden. Maximal zwei Semester dürfen sie im Tischkicker-Team bleiben. Im nächsten Semester ist also ein neues Trainerteam dran – und bringt den KI-cker weiter auf Titelkurs.

So lernt der KI-Tischkicker

Beim KI-Tischkicker werden die Spielstangen und der Torwart des schwarzen Teams von Motoren und einem leistungsstarken Computer gesteuert. Pässe, Torschüsse, Abwehrmanöver – alles passiert ohne menschlichen Einfluss. Eine Kamera filmt das Spielfeld von oben und sendet die Daten an den Rechner. Dort werden die Spielzüge von Algorithmen analysiert. Durch ein Belohnungssystem mit Plus- oder Minuspunkten lernt der Rechner dazu: Um den Kicker auch virtuell trainieren zu können, wurde er in einer Simulationssoftware nachgebildet. Bewegungsabläufe, die zu einem Tor führen, speichert das System als gut ab, ein Eigentor als schlecht. So lernt der Rechner durch jeden Spielzug dazu – wie im echten Leben: Spieler studieren Spielzüge ein und feilen an ihrer Schusstechnik. Der Unterschied: Der KI-Kicker braucht keine Pausen und kennt keinen Frust. Irgendwann wird er vielleicht – wie der Schachcomputer Deep Blue – nahezu unschlagbar. Davon kann die deutsche Nationalelf nur träumen…  

Quelle: https://www.bosch.com/de/stories/kick-it-like-bosch/

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Christina Janssen
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