Roboter bauen, Programmieren lernen, digitale Kulturen verstehen

Das Virtual Humanities Lab (VHL) ist ein medienwissenschaftliches Labor zur Erforschung der Medien, Techniken und Praktiken der Virtualität. Angebunden an die Professur für Virtual Humanities an der Ruhr-Universität Bochum steht es Lehrenden und Studierenden für Forschungsprojekte offen und hat derzeit drei Schwerpunkte: Virtual Reality/Augmented Reality, Robotik sowie 3D-Druck. Auf dem Open-Media-Studies-Blog stellen wir in einem zweiteiligen Beitrag zwei der digitalen Tools vor, die wir im Rahmen des Labs für Forschung und Lehre einsetzen: das auf Obsidian beruhende Laborbuch (für die Forschung) sowie Arduino-Bausätze (für Forschung und Lehre).

Was ist Arduino?

Arduino ist eine partizipative, offene Prototyping-Plattform für Physical Computing auf Open Source-Basis. Dieses Tool wurde von einer Gruppe von Ingenieur_innen und Designer_innen am Interaction Design Institute in Ivrea/Italien entwickelt, einem von 2001 bis 2006 von Telecom Italia finanzierten Ausbildungsinstitut für Interaction Design. Seinen Namen hat das Projekt von einer Bar in Ivrea, die wiederum nach Arduin von Ivrea benannt ist, dem Markgrafen der Stadt und ab 1002 König von Italien.

Arduino wurde sowohl als zugängliche Plattform für Designprojekte als auch als pädagogisches Hilfsmittel entwickelt und wird – neben zahlreichen Anwendungen in der kommerziellen wie nicht-kommerziellen Technikentwicklung – in den Ingenieurwissenschaften und an Kunsthochschulen eingesetzt, um informatisches Basiswissen sowie Grundlagen des Programmierens zu vermitteln.1 So werden neue Anwendungen und ästhetische Formen eröffnet und Hands-on-Zugänge eingeübt, die durch die Verbindung von praktischem und theoretischem Wissen über technische Zusammenhänge auch für die Medienwissenschaft relevant sind. Arduino bildet eine Schnittstelle zwischen materiellen und digitalen Tools und ist daher für medienwissenschaftliche Forschung und Lehre gleichermaßen geeignet.

Ein typisches Arduino-Set besteht aus dem Microcontroller selbst, üblicherweise einem Arduino Uno, der über einen USB-Anschluss Strom erhält und von einem Computer angesteuert werden kann (vgl. Abbildung 1). Für den didaktischen Einsatz kann der Microcontroller auf einer Plastikplatte befestigt werden, auf der sich auch ein Breadboard befindet (vgl. Abbildung 2). Auf diesem können Komponenten wie Transistoren, Widerstände und analoge bzw. digitale Sensoren mit einfachen Steckverbindungen – d.h. ohne Löten – zu Stromkreisen verbunden werden. Manche Leser_innen mag das an die Kosmos Elektronik-Baukästen aus ihrer Jugend oder den Physikunterricht erinnern, in deren Tradition pädagogischer Anleitung und technischer Bastelei Arduino als digitale Erweiterung verortet werden kann (vgl. Abbildung 3).

Abbildung 1: Arduino-Microcontroller (Foto von Harrison Broadbent auf Unsplash)

Abbildung 2: Arduino-Microcontroller und Breadboard (Foto von Isabel Schmiedel)

Abbildung 3: Kosmos Baukasten und weitere Bauteile (Foto von Isabel Schmiedel)

Was ist ein Microcontroller?

Microcontroller sind Ein-Chip-Computer auf einer Platine, die unterschiedlich konfigurierte Peripheriefunktionen, Ports, Schnittstellen, Displays, Sensoren, Aktuatoren und Speicher enthalten können.

Microcontroller werden seit den frühen 1970er Jahren in zahlreichen elektronischen Geräten verbaut, von PC-Peripheriegeräten und Chipkarten über Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik bis zu Autos und Waffensystemen. Vor allem für das Internet der Dinge, Ubiquitous und Pervasive Computing sowie Wearable Computing spielen Microcontroller heute eine wichtige Rolle und bieten auch künstlerischen Interventionen vielfältige Möglichkeiten.

Microcontroller haben mehrere mediale Funktionen: Sie vermitteln zwischen Sensoren und Aktuatoren, d. h. zwischen den Komponenten, die physikalische Ereignisse in der Umgebung registrieren und in Daten verwandeln sowie Komponenten, die Aktionen umsetzen und etwa Räder bewegen, Dioden in einer gesetzten Frequenz blinken lassen, akustische Signale produzieren oder einem Hindernis ausweichen.

Arduino-Controller haben die Besonderheit, mit einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) programmierbar zu sein, die am Computer bedient wird. Sie umfasst einen Editor sowie einen Compiler und wird mit einer C/C++-basierten und leicht erlernbaren Programmiersprache bedient (vgl. Abbildung 4). Diese Programmumgebung hat den Vorteil, dass die offenen Interfaces und die Modularisierung der einzelnen Elemente die komplexen Programmschichten (etwa für die Kommunikation der Geräte untereinander) unsichtbar machen und nur die für das jeweilige Problem – und mithin für die jeweilige epistemologische Problemstellung – relevanten Code-Bestandteile hervorheben. Die dadurch ermöglichte Konzentration auf den relevanten Code erleichtert die Aneignung.

Abbildung 4: Arduino Beispielcode (Screenshot von Isabel Schmiedel)

Arduino-Microcontroller werden in unterschiedlichen Varianten für verschiedene Anwendungszwecke angeboten und sind quelloffen. Die Anschaffungskosten sind überschaubar. Kostet ein Arduino Uno nur rund 20€, ist bei den auf arduino.cc vertriebenen Starter Kits mit voller Ausstattung mit rund 70€ zu rechnen. Zudem sind Sensor-, Machine Learning- und Internet of Things-Sets erhältlich, die das Starter Kit erweitern. Auch andere Microcontroller-Systeme für anspruchsvollere Aufgaben wie Raspberry Pi (als Mini-PC) oder Jetson (für KI-Anwendungen) sind günstig und quelloffen, aber zumindest in ihren Basisvarianten nicht so vielfältig für elektronische Experimente anwendbar wie Arduinos.

Unser Wissen über Arduino-Microcontroller und die damit möglichen Projekte beziehen wir aus einschlägigen Onlineforen, die Informationen zu fast allen Problemlagen und Experimenten enthalten (beispielsweise auf forum.arduino.cc). Darüber hinaus stehen empfehlenswerte Einführungs- und Projekthandbücher zur Verfügung, die sich gerade für den Einsatz im Lehrkontext anbieten.2 Dem Starter Kit etwa liegt zur Vermittlung von Grundlagenwissen ein Handbuch mit 15 Experimenten bei, das auch für die Lehre außerhalb der Informatik sehr gut geeignet ist, weil es genau erklärt, was ein Sensor oder was der Unterschied zwischen einem analogen und einem digitalen Input ist – Fragen, die insbesondere für die Medienwissenschaft von Bedeutung sind. Mit entsprechenden Kenntnissen lassen sich durchaus komplexe und auch im Alltag nutzbare Projekte umsetzen – vom automatisierten Katzentürchen bis zum Staubsaugerroboter.

Wie kann man Arduino in der Lehre einsetzen?

Als Einsatzmöglichkeit der Arduino Kits in einem Seminarkontext möchten wir das im Wintersemester 2021/22 erstmals angebotene Projektseminar mit dem Titel «Wir bauen einen Roboter» für den Master-Studiengang Medienwissenschaft an der Ruhr-Universität Bochum vorstellen. Für ein solches Seminar hat sich eine Teilnehmer_innenzahl von etwa 15 Studierenden als didaktisch sinnvoll erwiesen, nicht zuletzt, weil mit acht Starter Kits Gruppen von zwei bis drei Studierenden zusammenarbeiten können.

Das Seminar umfasste zum einen die Lektüre medienwissenschaftlicher Texte zur Frage, wie und was Sensoren über ihre Umwelt ‚erfahren‘ können, wie sich Roboter also in ihrer Umgebung orientieren. Zum anderen bestand der Hauptteil des zweiwöchentlichen und vierstündigen (aufgrund der geringen Gruppengröße in Präsenz abgehaltenen) Seminars im problemorientierten Lernen anhand von praktischen Experimenten, Spekulation und Programmierübungen. Die Grundlage bildeten hierbei neben einer Reihe von Lernrobotern (Kybernet, Hexbug, Sphero Bolt, Makebot, Lego Mindstorms) die Arduino Starter Kits. Im Durcharbeiten der Experimente aus der Anleitung wurden die Studierenden, die über sehr unterschiedliche Vorkenntnisse – von Neuland bis Expert_innentum – verfügten, schrittweise an die Arduino-Plattform und ihre technischen Voraussetzungen herangeführt. Ziel war dabei, durch Arduino etwas über Sensoren und ihr Verhältnis zu ihrer Umgebung, die medialen Bedingungen und das eigene Verhältnis zum Untersuchungsobjekt zu lernen. Zu diesem Zweck arbeiteten die Studierenden eigenverantwortlich in Kleingruppen. Beginnend mit ersten, einfachen Schritten eigneten sich die Studierenden den Umgang mit den Bestandteilen des Kits von Dioden über Kabel bis Steckplatinen mittels einfacher Schaltkreise Steckplatz für Steckplatz an.

Im Kontext des Arduino Starter Kit-Handbuchs werden diese Experimente narrativ eingebunden, um den Zugang möglichst niedrigschwellig zu gestalten: So erhalten die Experimente Namen wie «Raumschiff-Steuerzentrale» für auf Knopfdruck änderbare, blinkende LEDs oder «Love-O-Meter» für eine Temperaturmessung mittels eines Temperatursensors, dessen Ergebnisse mit Dioden angezeigt werden. Dabei greifen bei der Bearbeitung der Umgang mit Code und Platinen ineinander. Das Ziel dieses Seminars lag darin, eine Verbindung zwischen der theoretischen Arbeit und einem Hands-on-Zugang herzustellen, den Studierenden also im Sinne einer Artefaktanalyse3 historisches wie systematisches Wissen über Roboter und Sensoren zu vermitteln.

Die Arbeit mit Arduino verändert den Blick auf Kommunikationsprozesse, Interaktionen, Arbeitsabläufe und somit auf Schnittstellen: von Menschen zu Maschinen, Menschen untereinander und Maschinen untereinander (Computer – Arduino). Zugleich weitet diese Auseinandersetzung den Blick in Bezug auf iterative Reflexions- und Herangehensweisen und medientechnisches Wissen, wenn die experimentellen Phasen von Lektüren einschlägiger Texte begleitet werden. So wird es möglich, diskurshistorische, medientheoretische und medienarchäologische Ansätze eng am Material zusammenzuführen.

Was sind die Voraussetzungen für die Arbeit mit Arduino?

Informatisches Fachwissen ist keine Voraussetzung, um mit Arduino zu unterrichten. Mit Arduino lassen sich für das Verständnis gegenwärtiger medientechnischer Entwicklungen zentrale elektrotechnische und informatische Grundkenntnisse erwerben und vermitteln, sodass im Prinzip keinerlei Vorkenntnisse nötig sind. Wissen wird in der Praxis generiert. Vorwissen über den Aufbau und die Funktionsweise von Komponenten wie die von Widerständen, Dioden, Transistoren oder einfachen Schaltern sowie bereits vorhandene Programmiererfahrung oder mathematische Expertise sind dem Arbeiten mit Arduino jedoch förderlich.

Im Praxisseminar tauchten hin und wieder – teilweise nicht reproduzierbare – Probleme auf, wenn etwa Dioden nicht leuchteten, obwohl alles im Sinne der Anleitung verbunden war. Dass ein Microcontroller mit der falschen Firmware bespielt war, stellte sich erst nach detektivischen Nachforschungen und zahlreichen Reparaturversuchen heraus. Doch in unserem Seminar ging es darum, auch diese Auseinandersetzung mit dem, was nicht funktioniert oder was man (noch) nicht versteht, als Teil des Erkenntnisprozesses zu begreifen. Mangelnde Expertise ist daher nicht notwendigerweise ein Nachteil – vorausgesetzt, man vermittelt den Studierenden einen Problemzugang, der nicht auf Expert_innenwissen, sondern auf kreative Spekulation und praktische Experimente zielt.

Was sind die Vorteile von Arduino für geisteswissenschaftliche Lehre und Forschung?

Der große Vorteil von Arduino gerade für geisteswissenschaftliche Lehre und Forschung liegt darin, dass dieses Tool die genannten Arten von Vorwissen zwar belohnt, es gleichzeitig aber einen niedrigschwelligen Zugang zur Hands-on-Auseinandersetzung mit informatischen und ingenieurwissenschaftlichen Artefakten und Methoden und damit einen erweiterten Zugang zu digitalen Kulturen ermöglicht. Statt eines dezidierten Vorwissens sind für die Auseinandersetzung mit Arduino daher eher Neugier und Freude am Experimentieren günstige Ausgangsbedingungen sowie in unserem Kontext die Ambition, über diese Experimente und die eingesetzten Materialien und Methoden nachzudenken.

Hinzu kommt, dass die angewendeten Spannungen und Stromstärken so gering sind, dass in Hands-on-Projekten selbst bei fahrlässiger Handhabung so gut wie keine Verletzungsgefahr besteht. Ausgenommen hiervon ist unserer Erfahrung nach lediglich der Einsatz von externen 9 Volt-Blöcken, die bei einem direkten Kurzschluss beider Pole aufgrund einer fehlerhaft gesteckten Schaltung durchaus einmal Säure spuckend und unter großer Hitzeentwicklung den Geist aufgeben können. Labortechnische Gefahren beim Einsatz von Arduino gehen dennoch, wenn überhaupt, dann nur von solchen zusätzlich eingesetzten elektrotechnischen Komponenten aus und nicht vom Arduino selbst. Daher ist es möglich, Arduino sowie die allermeisten elektrotechnischen Bauteile unter Einbezug der oben genannten Onlineforen und Handbücher nach Anleitung oder auch spielerisch und im Sinne eines trial and error mit viel Gestaltungsspielraum zu erkunden.

Wie forscht man mit Arduino?

Arduino kann auch für die medienwissenschaftliche Forschung hilfreich sein: So binden wir Arduino am VHL unter anderem ein, um das (semi-)autonome Fahren als Phänomen digitaler Kulturen anhand von selbstgebauten Robotern und deren sensoalgorithmischer Orientierung im Raum in verkleinertem Maßstab skaliert zu untersuchen. Damit hoffen wir, die Rahmenbedingungen und Einschränkungen besser nachvollziehen zu können, die den Einsatz virtueller Environments in der Robotik nötig gemacht haben. So können wir mittels Arduino und anderer Tools jene epistemologisch-technischen Grundbedingungen im Kleinen untersuchen, die im Großen bei den Automobilherstellern eine Rolle spielen – flankiert von einer technikhistorischen, diskursanalytischen und medienarchäologischen Perspektivierung dieser Entwicklung.

Durch die Arduino kennzeichnende Durchlässigkeit von Code und Material werden die Herausforderungen und die ‚Messiness‘ der technischen Operationalisierung von Hypothesen etwa über den Zugang des Roboters zur Welt erfahrbar, die in Kontrast zu den Versprechungen der Reibungslosigkeit etwa des autonomen Fahrens stehen. Dieses Vorgehen zielt nicht auf die Entwicklung robotischer Lösungen, sondern auf den Nachvollzug von Rahmenbedingungen und Einschränkungen. Anhand der Problemlösung der gebauten Arduino-Roboter wollen wir herausfinden, wie Roboter Probleme bekommen und welche Probleme ihnen nicht gestellt werden (können).

Wie für die Lehre haben wir auch für die Forschung vergleichbare Tools als Alternative zu Arduino in Betracht gezogen, darunter die bereits genannten Raspberry Pi, Jetson, Lego Mindstorms oder Makebot, über die unser Labor ebenfalls verfügt. Im Zentrum steht jedoch auch in der Forschung Arduino, da dieses Tool – anders als der Raspberry Pi – bereits in seiner Basisversion aufgrund der vorhandenen Anschlüsse ohne zusätzliche Erweiterungen für die hardwaretechnische Verschaltung mit anderen elektrotechnischen Bauteilen ausgelegt ist und es damit unserem Wunsch, Hands-on-Wissen in Lehre und Forschung zu generieren, stärker entspricht.

Besonders produktiv ist Arduino dabei aufgrund der engen Verschränkung von Hardware und Software, die das medienwissenschaftliche Interesse an Materialitäten eng mit den Bedingungen und Vorentscheidungen von Code koppelt. Die Verbindung von Hardware und ihrer Programmierung macht in positivem Sinne mit Schwierigkeiten und Hindernissen, aber auch mit Möglichkeiten und Sichtweisen auf digitale Artefakte und Tools im Allgemeinen vertraut, wie sie in rein theoretischen – und auch selbst in rein programmiertechnischen – Zugängen kaum wirksam werden. Bereits zu Beginn ist der Umgang mit oftmals störrischer und sich idiosynkratisch verhaltender Hardware nötig, die auf für geisteswissenschaftlich arbeitende Personen ungewohnte Weise gehandhabt werden muss. Das Schreiben bzw. zunächst Abschreiben eines Codes, mit dem diese Hardware in Gang gesetzt wird, ist mit der Bastelarbeit an der Hardware verbunden. So werden Topologien, Prinzipien und Zusammenhänge digitaler Kulturen (wie etwa die zwischen Materiellem und Virtuellem oder zwischen analogen und digitalen Signalen) erkennbar, die dem lehrenden und forschenden Zugang zu digitalen Artefakten und digitalen Kulturen sonst verschlossen blieben und die neue Fragen und kritische Aufarbeitungen produzieren können.

Wir würden den Arduino Microcontroller daher allen an einer medienwissenschaftlichen Perspektivierung informatischer und ingenieurwissenschaftlicher Artefakte und Methoden interessierten Personen als besonders geeignetes Tool gerade für den ersten Einstieg in die Arbeit mit Hardware und Programmierung in Lehre und Forschung wie auch für tiefergehende und neu ausgerichtete Auseinandersetzungen mit digitalen Kulturen empfehlen.

Literatur

Bartmann, Erik: Die elektronische Welt mit Arduino entdecken. Beijing et al.: O’Reilly, 2015.

Brucker-Cohen, Jonah: Media Production with Arduino. In: Learning Through Digital Media: Experiments in Technology and Pedagogy. Herausgegeben von Trebor Scholz, 267–72. New York: Institute for Distributed Creativity, 2011.  

Lueger, Manfred/Froschauer, Ulrike: Artefaktanalyse: Grundlagen und Verfahren. Wiesbaden: Springer, 2018.
Muxel, Andreas et al.: Experimente. In: Code und Material: Exkursionen ins Undingliche. Herausgegeben von Georg Trogemann, 29–53. Wien: Springer, 2010.

• 1Vgl. Muxel, Andreas et al.: Experimente. In: Code und Material: Exkursionen ins Undingliche. Herausgegeben von Georg Trogemann, 29–53. Wien: Springer, 2010; Brucker-Cohen, Jonah: Media Production with Arduino. In: Learning Through Digital Media: Experiments in Technology and Pedagogy. Herausgegeben von Trebor Scholz, 267–72. New York: Institute for Distributed Creativity, 2011.
• 2Vgl. bspw. Bartmann, Erik: Die elektronische Welt mit Arduino entdecken. Beijing et al.: O’Reilly, 2015.
• 3Vgl. Lueger, Manfred/Froschauer, Ulrike: Artefaktanalyse: Grundlagen und Verfahren. Wiesbaden: Springer, 2018.