22/08/2024
Door Ad Spijkers
Een van vorm veranderende robot, geïnspireerd door insectenzwermen en boomwortels, leert zichzelf om besmettingszones te markeren
Robotica-experts van de West Virginia University in Morgantown werken aan een nieuwe methode naar robotautonomie. Loopy is een meercellige robot die bestaat uit een ring van individuele, onderling verbonden robotcellen. Het WVU-team gaat Loopy's vermogen testen om zichzelf te opnieuw ontwerpen, door zijn eigen vorm te bepalen met beperkte ondersteuning van menselijke ingenieurs. Zonder directe programmering van zijn gedrag geloven de onderzoekers dat Loopy kan leren om zijn lichaam te gebruiken om de grens van een besmet gebied te markeren, zoals de locatie van een olie- of toxinelozing.
Natuur als inspiratie
De meercellige robot is geïnspireerd door natuurlijke fenomenen zoals een mierenzwerm die zich verzamelt rond een gemorst frisdrankje of een systeem van boomwortels die groeien rond obstakels. Loopy verandert van vorm terwijl elk van zijn cellen organisch reageert op de omgeving. Het vermogen om zichzelf een nieuwe vorm te geven zou Loopy 'transformatief' kunnen maken voor robotica. Het concept heeft het potentiële vermogen om flexibel te reageren op onvoorspelbare situaties in de echte wereld.
Loopy is ontstaan als een gedachte-experiment in het laboratorium. Het werd bedacht als een uitdaging voor het heersende 'top-down'-denken in robotica, waarin de robot passief is en de mens hem ontwerpt, programmeert en bouwt. De van vorm veranderende robot daarentegen is een voorbeeld van 'zwermrobotica'. Veel kleine robotcellen verbinden zich om Loopy te maken. Hierdoor kunnen complexe, gecoördineerde gedragingen zoals probleemoplossing ontstaan uit de eenvoudige, gedecentraliseerde reacties van de cellen op stimuli.
Opbouw
Loopy's lichaam bestaat uit 36 identieke cellen die fysiek in een cirkel met elkaar zijn verbonden. Elke cel kan zijn eigen beweging regelen en elke cel heeft sensoren die hem op de hoogte houden van zijn gewrichtshoek en externe stimuli zoals licht en temperatuur. Om bij te houden hoe Loopy reageert op verschillende situaties, heeft een tafelmodel testomgeving met overheadcamera's, een bewegingsregistratiesysteem en een projector gebouwd.
Onder de tafel creëren verwarmingsdraden warme plekken die besmettingsgebieden simuleren. Een overhead thermische camera visualiseert de heatmap en elke cel van Loopy heeft een temperatuursensor in zijn voet. De onderzoekers gaan Loopy testen in verschillende onvoorspelbare omstandigheden, waaronder verschillende oppervlaktematerialen en obstakels. Ze zullen Loopy's nauwkeurigheid evalueren bij het omcirkelen van 'besmettingsgebieden'. Ook bestuderen ze zijn reacties op het onvoorziene en Loopy's tolerantie voor situaties waarover hij weinig of onnauwkeurige informatie heeft.
Tegelijkertijd vergelijken ze de oplossingen die Loopy organisch vindt met een conventionelere, gecentraliseerde aanpak waarbij een menselijke ontwerper toegang heeft tot alle sensorgegevens en de individuele cellen van Loopy kan besturen.
Planten als inspiratie
Van de verschillende biologische modellen voor Loopy vonden de onderzoekers met name inspiratie in studies over plantenintelligentie. Chemische signalering in planten diende bijvoorbeeld als zijn model voor de manier waarop gedecentraliseerde informatie tussen cellen kan bijdragen aan collectief gedrag.
Plantenwortels groeien door nieuwe cellen te produceren. Elk van die cellen reageert op extrinsieke factoren zoals de aanwezigheid van water of voedingsstoffen en intrinsieke factoren zoals hormonen. Die reacties coördineren de wortelgroei. Dat is echter slechts één biologisch mechanisme dat het belang van gedistribueerde coördinatie onderstreept. Loopy zou het begrip van autonomie, aanpassingsvermogen en ontwerp in robotica fundamenteel kunnen veranderen.
Voortgang
De voortgang van het onderzoek aan Loopy zal volgens de onderzoekers waarschijnlijk onvoorspelbaar en niet-lineair zijn. Meestal is de uitkomst van hun experimenten met Loopy onverwacht, en dat is een bron van inzicht en een drijfveer voor toekomstig onderzoek geweest. De onderzoekers willen weten is of Loopy's zelfgeorganiseerde oplossingen voor problemen een grotere aanpasbaarheid en veerkracht bieden dan geprogrammeerd gedrag. Ook besturen ze hoe ze robotachtige zwermgedragingen kunnen inzetten voor praktische toepassingen.
Eerst willen ze de omstandigheden vaststellen die de spontane opkomst van deze complexe gedragingen in multicellulaire robots bevorderen. Daarna verwachten ze dat robots die werken zoals Loopy potentieel hebben voor toepassingen die zo divers zijn als adaptieve lekafdichting of interactieve kunstdisplays.
Conventionele top-down robotsystemen hebben vaak moeite om zich aan te passen aan nieuwe omstandigheden. De collectieve intelligentie van eenvoudige cellen in zwermrobotica daarentegen zorgt er voor dat nieuw gedrag op natuurlijke wijze ontstaat, via een 'bottom-up' proces.
Welke toepassingen de onderzoekers voor ogen hebben, vermelden ze niet. Het komt de redactie voor, dat de robot door zijn vorm (die lijkt op een fietsketting) zich niet om een object of bijvoorbeeld een gemorste olieplas heen kan krullen. Door de koppeling tussen de diverse cellen lijkt aanpassing in de Z-richting ook beperkt. Het idee van de flexibele en van vorm veranderende robot die bestaat uit meerdere robots spreekt ons echter wel aan.
Foto: Brian Persinger, West Virginia University