Je leest:

Domme robots vormen slimme zwerm

Domme robots vormen slimme zwerm

Deeltjesrobot kan richting een doel bewegen en ook ‘dood gewicht’ meeslepen

Auteur: | 21 maart 2019

Trillende kunststof schijfjes die zich niet zelfstandig kunnen voortbewegen, kunnen wel samenklonteren tot een groter geheel dat zich kan verplaatsen. Geïnspireerd door het gedrag van groepjes cellen, presenteren Amerikaanse onderzoekers nu hun ‘deeltjesrobot’.

Zwermgedrag is heel gewoon in de natuur. Vogels, vissen en insecten maken er graag gebruik van. Veel minder zichtbaar, maar niet minder gewoon is zwermgedrag op het niveau van cellen. Er zijn eencelligen bekend die als het voedsel opraakt, samenklonteren tot een slijmpropje dat zich over grotere afstanden kan verplaatsen om zo nieuwe voedingsbronnen te bereiken. En ook in ons lichaam zijn allerlei voorbeelden van dit soort gedrag te vinden. Zoals wondheling of uitzaaiingen bij kanker. In beide gevallen vertonen de cellen willekeurige bewegingen, maar kunnen ze zich als groepje gericht door het lichaam verplaatsen.

In al deze voorbeelden is sprake van collectief gedrag waardoor er eigenschappen ontstaan die het individu (of dat nou een vogel of een cel is) niet heeft. Voor robotica-onderzoekers is dit heel inspirerend, omdat het de mogelijkheid biedt om robots zelfstandig te laten opereren. Je zet losse individuen bij elkaar en samen voeren ze dan een bepaalde taak uit die voor een enkele robot niet haalbaar is. Denk bijvoorbeeld aan een groep onderling communicerende drones die zelfstandig in een rampgebied op zoek gaan naar overlevenden en zo snel een groot en moeilijk bereikbaar gebied kunnen bestrijken.

Onbekende situatie

Dergelijke robotzwermen zijn in verschillende vormen ontwikkeld, maar er kleven ook nadelen aan. “Een zwerm robots gebruik je om in een onbekende situatie te opereren. Ze moeten zich daarom kunnen aanpassen aan de omgeving, zonder zichzelf of de omgeving in gevaar te brengen”, zegt industrieel ontwerper Mattijs Otten, die vanuit start-up bedrijf Sensys Robotics in samenwerking met de Technische Universiteit Delft de praktische en commerciële haalbaarheid van robotzwermen onderzoekt. “Eén manier om dat te doen is de individuele robots ‘intelligent’ maken door ze uit te rusten met sensoren, software voor beeldherkenning en zelflerende algoritmes. Maar daardoor worden de robots duurder en complexer in ontwerp en gebruik. Dat laatste vergroot weer de kans op fouten, waardoor extra technische maatregelen nodig zijn, wat tot nog meer kosten leidt enzovoort.”

Naast de kosten is ook de schaalbaarheid, ‘groter maken’, een probleem. Je kunt zo’n zwerm intelligente robots niet heel eenvoudig uitbreiden, omdat het steeds moeilijker wordt om te zorgen dat ze onderling allemaal met elkaar kunnen communiceren en ook allemaal van elkaar steeds weten waar ze zijn. Een team onderzoekers van meerdere Amerikaanse universiteiten besloot het daarom over een radicaal andere boeg te gooien en op zoek te gaan naar de meest eenvoudige ‘individuen’ die als groep toch nieuwe en mogelijk nuttige eigenschappen vertonen.

De componenten van de ‘deeltjesrobot’. De individuele schijfes kunnen zich niet zelfstandig verplaatsen, ze kunnen alleen trillen. Maar aan elkaar gekoppeld in een groepje is voortbewegen geen probleem. Credits: S.Li, R.Batra, et al, Nature (2019)

Simpele schijfjes

Ze kwamen uiteindelijk uit bij een soort kunststof schijfje dat vrijwel niks kan, behalve een simpele pulserende beweging maken waarbij het schijfje iets groter wordt en weer teruggaat naar de oorspronkelijke omvang. De schijfjes kunnen zich niet verplaatsen en ze hebben ook geen eigen ‘identiteit’, wat betekent dat ze niet individueel te volgen, te sturen of te positioneren zijn. Wel zijn ze zo gemaakt dat aan elkaar kunnen koppelen en dat ze reageren op licht door hun pulsritme aan te passen. Schijfjes die dichterbij een lichtbron staan reageren net iets eerder dan schijfjes die verder weg staan. Zo ontstaat een verschil in de groep.

Dat klinkt allemaal weinig opwindend, maar het resultaat is behoorlijk spectaculair. Een groepje gekoppelde schijfjes komt namelijk wel in beweging. Zonder een signaal van buitenaf wordt dat een willekeurig geschuifel, maar zodra er een lichtbron is, verandert het geschuifel in een doelbewuste beweging – recht op de lichtbron af. Doordat de schijfjes die zich aan de kant van lichtbron bevinden net iets anders gaan pulseren dan de andere schijfjes, ontstaat een soort golfbeweging die de boel op gang brengt. Dat gaat krachtig genoeg om het geheel ongehinderd te laten voortbewegen, zelfs wanneer 20 procent van de schijfjes niet meer werkt. Kapotte schijfjes verhinderen dus niet het functioneren van het geheel – de rest sleept dit ‘dood gewicht’ gewoon mee.

De deeltjesrobot beweegt zich richting een lichtbron. Credits: S.Li, R. Batra, et al, Nature (2019)

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Krijgen we in de toekomst designerbaby’s?

Biologie
‘Uit de hele omgeving krijg je micro-organismen mee’

Scheikunde
‘Ik probeer slimmere materialen te maken’

Dom, maar nuttig

Otten is onder de indruk van deze ‘deeltjesrobot’, zoals de Amerikanen het systeem hebben genoemd. “Dit is heel mooi onderzoek. Ik heb niet eerder een zwerm gezien van robots die zo ‘dom’ zijn en toch als geheel mogelijk nuttig gedrag vertonen.” Aan Otten de vraag wat dat nuttige gedrag zou kunnen zijn. Hij was zelf betrokken als ontwerper bij de Zebro, een zespotige looprobot van de TU Delft die in een zwerm kan opereren. De mogelijkheden voor zwermtechnologie liggen volgens Otten vooral in toepassingen waarbij de zwerm moet opereren in een snel veranderende en onvoorspelbare omgeving. “Dan denk ik aan toepassingen richting defensie, reddingswerk na rampen, verkenning van onbekend gebied en dergelijke.”

Of deze nieuwe ‘deeltjesrobot’ daar een rol in kan spelen betwijfelt hij. Het aanpassingsvermogen van deze niet-intelligente schijfjes lijkt heel beperkt. Daarom is een bekende omgeving waarin de deeltjesrobot een duidelijk en voorspelbaar doel heeft waarschijnlijk meer geschikt. “Ik denk dat dit onderzoek de potentie heeft om een testplatform te bieden voor micro- en nanorobotica die kan worden toegepast in de gezondheidszorg of wellicht in zelfhelende materialen. Omdat de gebruikte robots zo simpel zijn, is dit werkingsprincipe mogelijk ook echt te verkleinen naar moleculair niveau. Dat is bij andere zwermrobots vaak niet het geval door de complexiteit. Met deze eenvoudige robots en deze onderzoeksaanpak kunnen processen op micro- en nanoschaal worden gesimuleerd op macroschaal en dat is heel waardevol.”

Bron:

Shuguang Li, Richa Batra, David Brown, Hyun-Dong Chang, Nikhil Ranganathan, Chuck Hoberman, Daniela Rus, Hod Lipson, Particle robotics based on statistical mechanics of loosely coupled components, Nature (2019), doi:10.1038/s41586-019-1022-9

Metin Sitti, Bio-inspired robotic collectives, Nature (2019), News&Views

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 maart 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.