Wetenschap
Robots kunnen dieren niet ontlopen. Een nieuwe studie onderzoekt waarom
De vraag zou de 21e-eeuwse versie van de fabel van de schildpad en de haas kunnen zijn:wie zou er winnen in een hardloopwedstrijd tussen een robot en een dier?
In een nieuw perspectiefartikel ging een team van ingenieurs uit de Verenigde Staten en Canada, waaronder roboticus Kaushik Jayaram van de Universiteit van Colorado Boulder, op zoek naar een antwoord op dat raadsel. De groep analyseerde gegevens uit tientallen onderzoeken en kwam tot een volmondig 'nee'. In bijna alle gevallen lijken biologische organismen, zoals cheeta's, kakkerlakken en zelfs mensen, hun robot-tegenhangers te kunnen ontlopen.
De onderzoekers, onder leiding van Samuel Burden van de Universiteit van Washington en Maxwell Donelan van de Simon Fraser Universiteit, publiceerden hun bevindingen vorige week in het tijdschrift Science Robotics .
"Als ingenieur is het nogal verontrustend", zegt Jayaram, assistent-professor aan de Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering aan CU Boulder. "Dankzij 200 jaar intensieve engineering zijn we erin geslaagd ruimtevaartuigen naar de maan en Mars te sturen en nog veel meer. Maar het is verwarrend dat we nog geen robots hebben die aanzienlijk beter zijn dan biologische systemen in het voortbewegen in natuurlijke omgevingen."
Hij hoopt dat het onderzoek ingenieurs zal inspireren om te leren hoe ze beter aanpasbare, wendbare robots kunnen bouwen. De onderzoekers concludeerden dat het falen van robots om dieren te ontlopen niet te wijten is aan tekortkomingen in een bepaald apparaat, zoals batterijen of actuatoren. In plaats daarvan kunnen ingenieurs falen in het efficiënt laten samenwerken van deze onderdelen.
Dit streven is een van Jayarams grootste passies. Zijn laboratorium op de CU Boulder-campus is de thuisbasis van veel griezelige beestjes, waaronder verschillende harige wolfspinnen die ongeveer zo groot zijn als een halve dollar.
"Wolvenspinnen zijn natuurlijke jagers", zei Jayaram. "Ze leven onder rotsen en kunnen met ongelooflijke snelheid over complex terrein rennen om prooien te vangen."
Hij stelt zich een wereld voor waarin ingenieurs robots bouwen die een beetje meer op deze buitengewone spinachtigen lijken.
"Dieren zijn in zekere zin de belichaming van dit ultieme ontwerpprincipe:een systeem dat heel goed samenwerkt", zei hij.
Kakkerlakkenenergie
De vraag "wie kan beter rennen, dieren of robots?" is ingewikkeld omdat het runnen zelf ingewikkeld is.
In eerder onderzoek ontwierpen Jayaram en zijn collega's aan de Harvard University een reeks robots die het gedrag van de vaak verguisde kakkerlak proberen na te bootsen. Het HAMR-Jr-model van het team past op een cent en sprint met snelheden die gelijk zijn aan die van een cheetah. Maar, zo merkte Jayaram op, hoewel HAMR-Jr een beweging voorwaarts en achterwaarts kan maken, beweegt hij niet zo goed zijwaarts of over hobbelig terrein. Bescheiden kakkerlakken hebben daarentegen geen moeite om over oppervlakken van porselein naar vuil en grind te rennen. Ze kunnen ook muren bestormen en zich door kleine kieren wurmen.
Om te begrijpen waarom een dergelijke veelzijdigheid een uitdaging blijft voor robots, hebben de auteurs van de nieuwe studie deze machines opgedeeld in vijf subsystemen, waaronder kracht, frame, bediening, detectie en controle. Tot verbazing van de groep leken maar weinig van deze subsystemen niet te voldoen aan hun equivalenten bij dieren.
Hoogwaardige lithium-ionbatterijen kunnen bijvoorbeeld maar liefst 10 kilowatt vermogen leveren voor elke kilogram (2,2 pond) die ze wegen. Dierlijk weefsel produceert daarentegen ongeveer een tiende daarvan. Spieren kunnen intussen niet in de buurt komen van het absolute koppel van veel motoren.
"Maar op systeemniveau zijn robots niet zo goed", zei Jayaram. "We lopen tegen inherente compromissen aan bij het ontwerp. Als we proberen te optimaliseren voor één ding, zoals de rijsnelheid, kunnen we iets anders mislopen, zoals het vermogen om te draaien."
Spinnenzintuigen
Hoe kunnen ingenieurs dus robots bouwen die, net als dieren, meer zijn dan alleen de som der delen?
Dieren, zo merkte Jayaram op, worden niet op dezelfde manier in afzonderlijke subsystemen opgesplitst als robots. Je quadriceps drijven bijvoorbeeld je benen aan zoals de actuatoren van HAMR-Jr hun ledematen bewegen. Maar quads produceren ook hun eigen kracht door vetten en suikers af te breken en neuronen te integreren die pijn en druk kunnen voelen.
Jayaram denkt dat de toekomst van robotica neerkomt op 'functionele subeenheden' die hetzelfde doen:in plaats van de stroombronnen gescheiden te houden van je motoren en printplaten, waarom zou je ze dan niet allemaal in één onderdeel integreren? In een artikel uit 2015 stelde CU Boulder-computerwetenschapper Nikolaus Correll, die niet betrokken was bij het huidige onderzoek, zulke theoretische 'robotmaterialen' voor die meer op je quads lijken.
Ingenieurs zijn nog ver verwijderd van het bereiken van dat doel. Sommigen, zoals Jayaram, zetten stappen in deze richting, bijvoorbeeld via de Compliant Legged Articulated Robotic Insect (CLARI) -robot van zijn laboratorium, een meerpotige robot die een beetje als een spin beweegt. Jayaram legde uit dat CLARI vertrouwt op een modulair ontwerp, waarbij elk van zijn poten fungeert als een op zichzelf staande robot met zijn eigen motor, sensoren en besturingscircuits. De nieuwe en verbeterde versie van het team, mCLARI genaamd, kan in kleine ruimtes in alle richtingen bewegen, een primeur voor vierpotige robots.
Het is nog een ding dat ingenieurs als Jayaram kunnen leren van die perfecte jagers, wolfspinnen.
"De natuur is een heel nuttige leraar."