Je leest:

Robotaap speelt met je

Robotaap speelt met je

Auteurs: en | 1 november 1999

In de St. Maartenskliniek in Ubbergen vermaakt een kunstmatige orang-oetang bezoekers en patiënten. Mensen gaan met de aap praten en aaien hem. De aap op zijn beurt nodigt voorbijgangers uit voor een spelletje boter, kaas en eieren. Het is niet alleen een fraai interactief kunstwerk, maar ook een knap staaltje van robotica en softwareontwerp.

De roodharige orang-oetang schrikt wakker door voorbijlopende mensen. Langzaam strekt hij zijn brede rug, kijkt voorzichtig om zich heen en draait wat heen en weer op een boomstronk, zijn vaste stek. Een paar minuten later is hij een stuk alerter en kijkt nu doelgericht naar de voorbijlopende mensen. Hij begint zin te krijgen in het spelen van een spelletje, maar hij weet dat hij op dit vroege tijdstip weinig kans op succes heeft. Uit verveling gaat hij maar wat schommelen met zijn linkerarm. Zijn rechterarm zit in een mitella; hij is immers niet voor niets in een medische kliniek. Maar ook hij wil wel eens wat vermaak.

De robotaap speelt een spelletje boter, kaas en eieren in de St. Maartenskliniek. G. van Balkom, St. Maartenskliniek

Het wordt steeds rumoeriger in de omgeving. Meer en meer mensen lopen langs de aap heen, maar nog steeds wil niemand een spelletje met hem spelen. Hij wordt er zichtbaar pissig van. Later die ochtend begint iemand hem te aaien. Daar is de aap wel gevoelig voor. Zijn humeur verbetert zienderogen en hij buigt wat naar de aardige persoon toe. Eindelijk een speelkameraadje! Enthousiast beweegt de aap zijn arm naar een futuristisch speelbord, en op de plaats waar hij het bord aanraakt verschijnt een kruis. De aardige voorbijganger begrijpt de bedoeling: de aap wil ‘boter, kaas en eieren’ spelen. Na het verliezen van een paar spelletjes heeft de aap er genoeg van. Steeds verliezen, daar is ook voor een aap geen lol aan.

Opeens begint er iemand in de gang te schreeuwen. De aap kijkt verschrikt op en vergeet het spelletje waarmee hij bezig was. Zodra zijn speelkameraad is verdwenen, besluit hij om een middagdutje te gaan doen.

Nee, dit is geen sciencefiction. De beschreven orang-oetang is een robotaap die in de St. Maartenskliniek in Ubbergen (bij Nijmegen) staat. Hij heeft de vorm en het uiterlijk van een volwassen orang-oetangmannetje. Dit interactieve kunstwerk is ontworpen door kunstenaar Aernout Mik en daarna gebouwd door het mechatronicabedrijf Demcon. De robotaap heeft de afmetingen van zijn biologische voorbeeld en combineert menselijke met dierlijke aspecten. Zo heeft de aap een koelkast en een kooktoestel bij zich staan, maar zit hij tegelijkertijd op een boomstronk en is het hightech-speelbord voorzien van houten randen. Voor zijn menselijke speelkameraad heeft de aap ook alvast een boomstronk als zitplaats gereed gezet. Het doel van de aap is om patiënten van de kliniek afleiding te geven van de dagelijkse sleur. De kliniek heeft voor een aap gekozen omdat een dier vertederend werkt, terwijl een aap qua gedrag toch overeenkomsten met een mens vertoont. Het feit dat de aap het spel boter, kaas en eieren kan spelen, versterkt het menselijke aspect in het kunstwerk.

Fuzzy logic

In de klassieke logica is iets waar of onwaar, aangeduid met respectievelijk een 1 of een 0. Gebruiken we de klassieke logica in de verzamelingenleer, dan behoort een bepaald element wel of niet tot een verzameling. Fuzzy logic is een uitbreiding op deze klassieke logica, waarin een element ook gedeeltelijk tot een verzameling kan behoren. Laten we als voorbeeld het humeur van de aap nemen. We weten niet exact wat humeur is, maar we kunnen wel vijf toestanden (verzamelingen) definiëren waarin we het humeur uitdrukken: heel slecht, slecht, normaal, goed en heel goed. Ook kunnen we een aanname doen over de vorm van een functie die de eigenschap humeur afbeeldt op die verzamelingen (als het systeem niet goed werkt kunnen we een andere vorm proberen). De klassieke logica geeft nu slechts een beperkt aantal mogelijkheden voor het humeur. In fuzzy logic zijn echter oneindig veel mogelijkheden. Het humeur kan bijvoorbeeld zestig procent tot ‘goed’ behoren, en voor veertig procent tot ‘heel goed’. We kunnen de genoemde verzamelingen grafisch weergeven. Voor andere eigenschappen van de aap kunnen we uiteraard soortgelijke grafieken maken. De eigenschap ‘moeheid’ verdelen we bijvoorbeeld over de verzamelingen ‘laag’, ‘gemiddeld’ en ‘hoog’. Net als in de klassieke logica redeneren we in fuzzy logic met ‘als…dan’-regels, bijvoorbeeld: als ‘humeur = goed’ en ‘moeheid = laag’ dan ‘zin_in_spel = veel’, en als ‘humeur = slecht’ en ‘moeheid = hoog’ dan ‘zin_in_spel = weinig’. De relatie ‘humeur = goed’ betekent in feite ‘humeur is een element van de verzameling goed’. Deze regels bepalen het uiteindelijke resultaat voor ‘zin_in_spel’.

De hardware is een knap staaltje van robotica. Demcon

Computationele intelligentie

Hoe maak je nu een kunstwerk dat reageert op zijn omgeving? De robot zal dan in ieder geval een deel van de omgeving met sensoren moeten waarnemen. Hiertoe is hij uitgerust met microfoons, bewegingsdetectoren, drukschakelaars en een lichtsensor. Negen elektromotoren en zes modelbouwservo’s voeren de bewegingen van de robot uit. De software die de robot bestuurt, bestaat uit twee delen: enerzijds het softwaredeel voor het besturen van de motoren en het uitlezen van de sensoren, anderzijds het softwaredeel voor het bepalen van het gedrag van de robotaap. Dit laatste softwaredeel zorgt er voor dat de robotaap zoveel mogelijk op een natuurlijke manier reageert. Het moet lijken alsof hij een soort eigen wil heeft. De software die het gedrag van de robot bepaalt, gebruikt daarom neurale netwerken en fuzzy logic. Fuzzy logic is een van de klassieke logica afwijkende vorm van logica die vaak wordt toegepast in kunstmatige intelligentie. Het belangrijkste kenmerk van een neuraal netwerk is dat het kan leren van een set voorbeelden. Het neurale netwerk is geïnspireerd op de werking van het menselijke brein.

Gedrag

Het gedrag dat de aap kan vertonen valt in zes categorieën uiteen: spelen van boter, kaas en eieren, reageren op aanrakingen, reageren op de aanwezigheid van personen, reageren op geluid, slapen en ‘doe maar wat’. De categorie ‘doe maar wat’ omvat alle gedrag waarvoor de aap geen interactie met zijn omgeving nodig heeft. Het gedrag van de aap wordt echter niet uitsluitend gestuurd door de omgeving. Zo reageert de aap niet altijd op geluid als er veel lawaai in de omgeving is.

De ontwerpers van de software voor het brein van de aap hebben de gedragsbepaling bij mensen als voorbeeld gebruikt. Dat wil niet zeggen dat ze hebben geprobeerd om de gedragsbepaling van een mens geheel te simuleren, wel dat de biologische variant het ontwerp heeft beïnvloed. Zowel de mens als de robotaap ontvangen sensorische informatie, die ze vervolgens analyseren. Zo wordt bijvoorbeeld de richting van een geluidsbron berekend aan de hand van faseverschuivingen in de signalen van de oren of microfoons. Evenals de mens heeft de aap een middellange- en een kortetermijngeheugen voor het opslaan van ervaringen. ‘Ervaringen’ zijn voor de aap echter geen representaties van gebeurtenissen, maar slechts gemoedstoestanden. Zoals het brein het gedrag van de mens bepaalt, zo bepaalt het veel eenvoudigere neurale netwerk van de aap zijn gedrag.

Chagrijnig

De sensoren registreren continu de wijzigingen in de omgeving. Het robotbrein analyseert vervolgens een aantal malen per seconde de data. De verkregen informatie noemen we de externe toestand van de aap. Daarnaast is er een interne toestand, die bestaat uit het ‘gemoed’ van de aap. Denk hierbij aan gemoedstoestanden als vrolijk of chagrijnig zijn, wel of geen zin hebben in het spel boter, kaas en eieren en slaperig of juist wakker zijn. Aan de hand van de interne en de externe toestand, en ook aan de hand van het middellangetermijngeheugen, berekent het robotbrein een nieuwe interne toestand. Het middellangetermijngeheugen is bedoeld om snelle wisselingen in het gedrag en de gemoedstoestand van de aap te vermijden. Dit geheugen onthoudt het gewogen gemiddelde van de stemmingen van de voorgaande dagen. Door de invloed van het middellangetermijngeheugen wekt de aap nog meer de indruk een eigen leven te leiden. Voor het berekenen van de nieuwe interne toestand maakt de software gebruik van fuzzy logic.

Stel dat de aap bezig is met een spelletje ‘boter, kaas en eieren’ en hij plotseling wordt afgeleid door geschreeuw. Door de vuistregels die in het fuzzy-logicsysteem zijn ingebouwd zal de activiteit van de aap toenemen, waardoor hij veel directer reageert op een omgevingsverandering, zoals de plotselinge toename van geluid. Fuzzy logic is voor deze berekening zeer geschikt, omdat we niet precies de definities kennen van humeur, moeheid en zin-in-spel, noch hoe we ze zouden moeten definiëren zodat het gedrag natuurlijk overkomt. Wel kennen we enkele vuistregels over de samenhang van deze grootheden, vastgelegd in fuzzy-logicregels.

De software gebruikt een neuraal netwerk om een functie te leren die de nieuwe interne toestand koppelt aan een zodanig gedrag van de aap dat we het begrijpen als een natuurlijke reactie op zijn gemoed en de gebeurtenissen om hem heen. Daartoe gebruiken we de informatie uit de externe toestand, de speltoestand en de nieuwe interne toestand als invoer voor het neurale netwerk. Het netwerk is getraind met een aantal voorbeelden van invoer en het daarbij passende gedrag. Het netwerk generaliseert aan de hand van deze voorbeelden, om ook voor nieuwe invoer bijpassend gedrag te berekenen.

In het voorbeeld van de aap die wordt afgeleid door plotseling geschreeuw, zal het neurale netwerk waarschijnlijk ‘reageer op geluid’ als resultaat geven. Parallel aan het netwerk bepalen we met fuzzy logic hoe belangrijk het gedrag dat de aap reeds uitvoert op dat moment nog is. Het resultaat van deze fuzzy-logicberekening, samen met de uitvoer van het neurale netwerk, gebruiken we om de beslissing te nemen over de uit te voeren actie: moet de aap zijn huidige gedrag voortzetten of moet hij juist het door het neurale netwerk berekende gedrag uitvoeren? In het genoemde voorbeeld is het tot dan toe uitgevoerde gedrag (‘spelen van boter, kaas en eieren’) minder belangrijk dan het nieuwe gedrag, het ‘reageer op geluid’. Het fuzzy-logicsysteem zal dan ook beslissen om op het geluid te reageren.

Schematische werking van de softwarebesturing van de robotaap.

Humeur

Als het systeem besluit om het gedrag te veranderen, dan bepaalt het een ‘richting’ voor bepaalde gedragingen, zoals het spelen van een spelletje, of het reageren op geluid. Bij reageren op geluid zal dit een werkelijke ruimtelijke richting zijn. Bij het spelen van boter, kaas en eieren berekent het systeem het vaknummer voor de uit te voeren zet. Zodra het uit te voeren gedrag bekend is, wordt uit de database een beweging geselecteerd aan de hand van verschillende criteria. Het gedragtype is uiteraard een zeer belangrijk criterium, maar ook het humeur, de richting van de beweging en de actuele ruimtelijke stand van de aap spelen een rol in de selectie. Dit laatste criterium is nodig om te voorkomen dat de software een beweging kiest die een volledig andere stand van de aap als uitgangspositie nodig heeft, waardoor een zeer onnatuurlijke standsverandering noodzakelijk zou zijn. Kijken we weer naar ons voorbeeld, dan selecteert de software een beweging die het hoofd en de ogen van de aap in de richting van het geluid draait. De motorbesturingssoftware handelt vervolgens de geselecteerde beweging af.

Een standaard spel boter, kaas en eieren is eenvoudig te ontwerpen. Zo’n programma zal echter altijd proberen te winnen, en zeker bij boter, kaas en eieren leidt dat vaak tot remise. Het spel zoals dat in de software van de aap is verwerkt, is daarom uitgebreider opgezet. Het bevat vijf spelniveau’s. Als de aap te vaak wint of remise speelt, dan zakt de aap een niveau in speelsterkte. Verliest de aap te vaak, dan neemt zijn speelsterkte weer toe.

Toepassing van neuro-fuzzytechnieken en een neuraal netwerk bouwen een mate van onvoorspelbaarheid in. Deze onvoorspelbaarheid is noodzakelijk om de aap niet mechanisch te laten overkomen. Het lijkt alsof het beest een eigen wil heeft. De onvoorspelbaarheid moet echter niet zo sterk zijn dat de bewegingen volstrekt willekeurig worden. Het bijzondere van de robotaap is dat deze zelfstandig beweegt maar toch in een openbare ruimte staat opgesteld. De combinatie van een sterke robot met zelfstandige bewegingen en mensen, met name kinderen, die onverwachte dingen kunnen doen, houdt in dat er veel veiligheidsmaatregelen noodzakelijk zijn. De robot is dan ook van diverse veiligheidsschakelingen voorzien die de aap reeds bij het kleinste gevaar voor omstanders uitschakelen.

In de kliniek waar de aap staat, zien we dat mensen tegen de aap gaan praten, hem aaien en met hem willen spelen. Vooral kinderen gaan makkelijk en geïnteresseerd naar de aap toe. De aap is soms humeurig en in zichzelf gekeerd, soms is hij vrolijk en probeert voorbijgangers uit te nodigen om met hem een spelletje te spelen. De robotaap is een mooi voorbeeld van het hand in hand gaan van kunst en techniek. Wat zouden zijn orang-oetangmaatjes in de natuur trouwens van hem vinden?

Lees meer op Kennislink:

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 1999

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.