01/11/2024
Door Ad Spijkers
Eenvoudige koorden veranderen robotjes zonder brein in systemen die door doolhoven navigeren.
Als ze met rust worden gelaten, rennen de speelgoedrobots gedachteloos over een tafelblad en vermaken ze kleine kinderen en katten. Maar toen ingenieurs van Princeton University (halverwege New York en Philadelphia) de kleine speeltjes koppelden aan een flexibele koord, ontwikkelden de robots opmerkelijke vaardigheden. Ze verkenden afgesloten ruimtes, navigeerden door doolhoven en verzamelden zelfs losse objecten in patronen.
Robots zonder brein
De onderzoekers wilden agenten zonder brein nemen en complexe gedragingen initiëren. Door de speelgoedrobots te verbinden met een flexibel polymeerkoord konden de 5 cm lange apparaatjes morfologische berekeningen vertonen. Bij dit fenomeen kunnen fysieke kenmerken worden gebruikt om complexe problemen op te lossen, in plaats van digitale berekeningen.
De bevindingen hebben implicaties die verder gaan dan interessante toepassingen voor robotspeelgoed. Wetenschappers zijn op zoek naar manieren om zwermen robots te besturen voor alles, van bewakingssystemen tot ruimteverkenning. In veel gevallen organiseren onderzoekers zwermen door elke robot te leren reageren op eenvoudige signalen van zijn buren, zoals een vis die in een school zwemt. Het team aan Princeton University wilde onderzoeken of het mogelijk was om controle uit te oefenen over groepen robots die geen rekenkracht hebben en alleen reageren op fysieke invoer.
Flexibel koord
De speelgoedbots die het team gebruikte, zijn een type kleine robot genaamd bristlebots. Ze hebben kleine, flexibele poten en een trilmotor die hun insectenachtige beweging aandrijft. De bots hebben geen enkele vorm van computerbesturing en vertrouwen op mechanische wrijving om ze te besturen. Bristlebots worden veel verkocht als speelgoed en hebben een toepassing gevonden in wetenschappelijke experimenten waarin ze gasdeeltjes en bacteriën vertegenwoordigen.
Het onderzoeksteam wilde weten of het mogelijk zou zijn om complex gedrag te creëren zonder gebruik te maken van lichtsignalen of andere externe instructies. Ze wilden mechanische intelligentie gebruiken waarin fysieke systemen problemen oplossen op dezelfde manier als een hand een bal vastpakt.
De sleutel was een flexibel koord, dat de onderzoekers met een 3D-printer maakten. Ze experimenteerden met stijve kabels en andere kabels met verschillende flexibiliteit. Met behulp van camera's om de bots te volgen, creëerden de onderzoekers wiskundige modellen. Deze voorspelden het gedrag van de gepaarde bots op basis van variabelen zoals de kracht van de bots en de lengte en flexibiliteit van het koord.
Experimenten
In elke opstelling bevestigden de onderzoekers een koord aan de voorkant van elke rechthoekige microbot. Met het meest stijve koord, in feite een stijf polyester balkje, duwden de bots tegen elkaar en bewoog het paar nauwelijks. Maar toen de onderzoekers de flexibiliteit van het polyester verhoogden, begonnen de kabels te knikken toen de bots duwden. Uiteindelijk knikten de kabels in een U-vormige bocht, waardoor de bots snel vooruit konden duwen richting de bocht in de U. Dit gebeurt net als twee zwemmers die elk uiteinde van een noedelvormige drijver voortduwen.
Het koord dat de bots met elkaar verbond, controleerde de richting van het paar door te voorkomen dat een van beide in een willekeurige richting kon glijden. Deze controle neemt af wanneer de kracht die door de bots wordt geleverd een drempel overschrijdt die de weerstand van het koord tegen knikken overschrijdt. De onderzoekers berekenden de hoek waarmee de bots in een gecontroleerde richting met de grootste snelheid vooruit konden bewegen.
Nadat ze hadden geleerd de richting van de gekoppelde bots te controleren, gingen de onderzoekers verder met obstakels. Ze ontdekten dat wanneer de robots tegen een muur aanliepen, de U-vormige kabel plat werd en ervoor zorgde dat een van de gekoppelde bots langs de muur schoot. Uiteindelijk verscheen de kromming in de kabel weer, maar dan in een andere richting. Dit leidde ertoe dat het paar bots van de muur af bewoog. Door dit gedrag kon het robotpaar een beperkte ruimte verkennen. Het is ook essentieel voor het vermogen van het paar om door doolhoven te navigeren.
Daarnaast onderzochten de onderzoekers het vermogen van de bots om zich door openingen te wurmen. Ze ontwikkelden ook manieren om de bots te gebruiken om losse voorwerpen op een tafelblad in aparte groepen te verzamelen.
Vervolg
Het project begon als een afstudeerproject. Hij begon met zijn docent te werken aan het onderzoeken van het gedrag van afzonderlijke robots die aan een elastische balk waren bevestigd. Op een dag verbond hij twee robots met een kabel en noteerde wat er zou gebeuren. Hij liet het experiment zijn gang gaan en dat bewoog rond de muren van de experimentele opstelling. "En toen begon het echt spannend te worden."
Het team wil verder werken aan het koordsysteem om andere gedragingen en regelingen met grotere aantallen bots te onderzoeken. Een andere mogelijkheid is om het onderzoek toe te passen op drones die in drie dimensies bewegen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Sameer A. Khan / Fotobuddy