Beschouwing Zwermen robots

De opkomst van de robotzwerm: van reddingsacties tot vuurwerkshows

Beeld Hilde Harshagen

In bossen speuren naar branden, in gebouwen zoeken naar overlevenden: soms heb je aan één robot niet genoeg. Dan kan de robotzwerm redding brengen. Maar eerst het lab eens uit zien te komen.

De winkels zijn gesloten, niemand die meer opkijkt van de robotjes die gezamenlijk de straten en pleinen opwandelen om straatvuil op te rapen. Grote bosbranden zijn wereldwijd drastisch teruggebracht doordat groepen autonoom rondvliegende drones beginnende brandjes al vroeg ontdekken. En vindt ergens een verwoestende aardbeving plaats? Dan zwermen kleine drones uit om half ingestorte gebouwen kamer voor kamer uit te kammen, op zoek naar overlevenden.

Dit is de toekomst die roboticus Guido de Croon en promovendus Kimberly McGuire van TU Delft voor zich zien,  terwijl ze – gewoon in het hier en nu – een aantal drones laten opstijgen in het faculteitsgebouw van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek:

Beeld Hilde Harshagen

Het is afwachten waar de venijnig zoemende propellermachientjes van nog geen 10 centimeter doorsnede terechtkomen. Dat bepalen ze namelijk zelf. Vertwijfeld zoemt een van hen een paar seconden tussen onze benen, op zoek naar de vrije doorgang, waarna hij vastberaden verder vliegt. Richting een deuropening, een paar meter verderop. ‘Komt een drone je kantoor in!’ roept McGuire, terwijl ze erheen snelt.

In vakblad Science Robotics beschrijft ze samen met collega’s hoe deze apparaten in een groep van zes met succes een aantal kamers verkennen, voordat ze weer terugkeren richting het startpunt. Gemiddeld betraden ze in een paar minuten tijd 83 procent van de kamers in de testruimte.

Tijdens een ultieme proef filmden de drones met succes twee houten figuren die zich in deze kamers bevonden; de overlevenden van een fictieve ramp. Er is weinig fantasie voor nodig om voor je te zien hoe een zwerm van dergelijke drones ooit in een chemische fabriek op zoek gaat naar een gaslek, of in een brandend kantoorpand echte achterblijvers opspoort.

Robotjes die, volledig autonoom en zonder enige kennis over de omgeving vooraf, een gebouw verkennen en weer terugkeren naar het startpunt, dat vraagt een heleboel intelligentie. Toch?

Nou, dat valt dus wel mee. En dat is precies het punt. Het is de kracht van de zwerm: robots die zich op individueel niveau eenvoudig gedragen, maar door interactie met elkaar opvallend complexe klussen uitvoeren. Zwermrobotica, heet deze tak van sport.

De Delftse dronetjes vliegen in een voorgeprogrammeerde richting, waarna ze op zicht muren volgen en obstakels ontwijken. Ze gaan elkaar uit de weg door te letten op de sterkte van elkaars radiosignalen. ‘Zoals je meer streepjes op je telefoon te zien krijgt als je dichter naar de wifi-router loopt’, beschrijft De Croon. Daardoor weten de drones van elkaar waar ze zijn zonder dat hiervoor gps nodig is.

Er is geen vooropgezet plan, geen kaart, geen centrale coördinatie; in feite doet elke drone maar wat. Is de batterij voor eenderde deel leeg, dan vliegen ze richting het radiosignaal dat wordt verzonden vanaf het startpunt.

Meer moet je ook niet vragen van zo’n apparaatje van 33 gram. Dat is te klein om de computerkracht mee te slepen waarmee je uitgebreid de omgeving in kaart kunt brengen, om met anderen te bedisselen wie welke kamer binnengaat. Maar zet je de drones in een zwerm in, zo laten de onderzoekers zien, dan zijn zelfs zulke lichte (en dus relatief goedkope) robotjes bruikbaar in de praktijk.

De Delftse drones zijn de laatste toevoeging aan een uitdijend palet van zwermrobots die in universiteiten over de hele wereld worden gebouwd. Zo presenteerde een Hongaarse onderzoeksgroep vorig jaar dertig drones die, door elkaars positie te berekenen via gps, als een soort vogelzwerm naar een vooraf ingesteld doel kunnen vliegen, gewoon boven een weiland bij Boedapest. Het leverde deze tijdsopname op:

Beeld Zsolt Bézsenyi

Elk individu let alleen op zijn afstand tot de directe buren, wier locaties ze doorkrijgen via gps. Het resultaat is een vlucht robots die als één geheel bochten neemt en obstakels ontwijkt. Zoals de groepen spreeuwen die als één organisme door de lucht zwieren.

Zwermrobotica draait niet alleen om vliegende drones. In een publicatie uit 2016, in vakblad Plos One, staan tien autonoom rondvarende bootjes beschreven die gezamenlijk een stuk wateroppervlakte bestrijken en terugkeren naar een startpunt:

Beeld Plos One

Hang je de juiste sensoren aan zulke vaartuigjes, dan kunnen ze controleren op watervervuiling, of een olievlek monitoren na een ramp met een olietanker.

Of neem de kilobots; doodeenvoudige apparaatjes ter grootte van een munt, die zich voortbewegen door hun drie pootjes te laten vibreren. Onderzoekers van de Harvard Universiteit slaagden er in 2014 in om duizend van deze simpele robotjes vormen naar keuze te laten maken, zoals de letter ‘k’ of een zeester:

Beeld Mike Rubenstein and Science/AAAS

Vooraf kregen alle robots de gewenste figuur door. Vier robots vormden het middelpunt, waarna de rest naar believen langs de rand zwermde. Dat deed elk robotje net zo lang tot hij ofwel de vooraf doorgegeven grenzen van de vorm dreigde te verlaten, of tegen een collega kilobot aanknalde, waarna hij bleef staan. Als vanzelf ontstonden hierdoor de voorgeprogrammeerde vormen.

In 2018 lieten Spaanse, Britse en Nederlandse onderzoekers zien dat driehonderd van deze kilobots zelfs vormen kunnen maken zonder instructies vooraf. De kilobots kregen verschillende kleurtjes, waarbij elk kleurtje stond voor een hogere of lagere waarde.

De taak van elk robotje was simpel. Ze registreerden alleen de kleuren van buren op minder dan 10 centimeter afstand, waarna robots met hoge waarden verkasten naar gebieden met veel robots van lage waarde. Na meer dan drie uur krioelen ontstonden als vanzelf organisch ogende uitsteeksels. Een ruwe robotversie van het proces waardoor vlekken op de vacht van een luipaard ontstaan, of de vorm van onze handen:

Een van de wetenschappers die aan laatstgenoemde zwerm werkten, is Sabine Hauert, werkzaam op het naar haar vernoemde Hauert Lab van de Universiteit van Bristol, waar ze zich richt op zwermrobotica. ‘Tot nu toe was zwermrobotica altijd een academische inspanning’, zegt ze. ‘Nu begint er interesse te ontstaan vanuit de industrie.’

Daar begint volgens haar het besef te dagen dat je soms niet genoeg hebt aan één robot. Zwermen hebben volgens haar een aantal grote voordelen. Gaat er één drone kapot tijdens, zeg, het controleren van methaanlekken in een gaswinningsgebied, dan heeft dat nauwelijks invloed op de operatie als geheel.

Dit maakt zwermrobots ook aantrekkelijker voor riskante ondernemingen, zoals het bestuderen van grottenstelsels of het uitkammen van een brandend pand. Zeker omdat de individuele robots veilig zijn voor mensen – want klein en licht – en relatief goedkoop.

‘Bovendien zijn zwermen, mits goed uitgevoerd, bijzonder flexibel’, zegt Hauert. ‘Doordat er een simpel algoritme onder zit, kunnen ze zich aan allerlei omgevingen aanpassen. Geavanceerdere robots hebben door hun specialisatie veel minder aanpassingsvermogen.’

Hauert noemt de start-up Semblr, die de bouw wil automatiseren met groepen robots op poten, die blokken geperst hout onder hun metalen buik hangen en deze al klauterend naar de juiste plek brengen en vastschroeven. Ze krijgen een vooraf bedachte bouwtekening door en verdelen vervolgens onderling de taken, is het plan - dat zich in de testfase bevindt. Deze artist impression geeft het beeld weer dat Semblr voor ogen heeft:

Beeld Semblr

Dat eerst een bouwplan wordt gemaakt op de computer, onderscheidt deze toepassing van zuiver zwermgedrag, mailt mede-oprichter Ivo Tedbury. Denk aan termieten, die geen centrale architect hebben, maar door interacties met elkaar vanzelf tot een geslaagd ontwerp komen, tot ventilatieschachten aan toe. Klanten willen nu eenmaal weten hoe het gebouw waarvoor ze betalen eruit komt te zien.

Semblr is een voorzichtig beginnetje van zwermen toepassen in de praktijk, zegt Hauert. ‘Maar de meeste zwermrobots bevinden zich nog vooral in het lab.’ Doordat simpele instructies tot ingewikkelde resultaten leiden, is het zeer moeilijk te voorspellen hoe een zwerm zich in de praktijk gaat gedragen, legt ze uit. ‘Soms duurt het jaren voordat je een algoritme hebt bedacht dat het gewenste zwermgedrag oplevert. Heb je het eenmaal op papier, dan denk je: dit is supersimpel!’

Het vuurwerk van de toekomst

Maken zwermen drones een einde aan weggeknalde vingers en bange huisdieren op Oudjaarsnacht? Wie weet, want een lichtshow met grote groepen drones kan er behoorlijk spectaculair uitzien. Technologiebedrijf Intel beschikt al over zogenoemde Shooting Star drones, die door de lucht wervelen en imposante vormen aannemen. Alleen gaat het strikt genomen niet om zwermrobotica; de choreografie van de show is van tevoren voorgeprogrammeerd, losse drones communiceren niet met de buren. Volgens robotonderzoeker Sabine Hauert is het desondanks denkbaar dat zwermtechnologie in de toekomst wél een rol gaat spelen bij lichtshows. Mogelijk staan we straks op een festival tussen lichtgevende minidrones die als confetti om het publiek hangen en reageren op bewegingen van de mensenmassa, schetst ze.

Zijn robotzwermen over twintig jaar alledaagse verschijnselen? Hauert acht het mogelijk, al zullen ze volgens haar alleen specifieke taken uitvoeren. Drones die natuurgebieden monitoren, bijvoorbeeld, of scholen machines die door een haven zwemmen om waterverontreiniging in kaart te brengen.

En dan zijn er natuurlijk militaire toepassingen. In het leger worden drones al jaren toegepast; ter verkenning en door sommige landen voor aanvallen. Ook hier is de zwermtechnologie in aantocht.

Zo testte Darpa, een Amerikaanse onderzoeksinstituut van het ministerie van Defensie, afgelopen juni een zwerm drones die twee wijken afzochten om een nagemaakt stadhuis te identificeren, waarna ze deze omsingelden:

Uiteindelijk is het doel 250 autonome drones met elkaar te laten samenwerken voor verkenningswerk in stedelijke gebieden, eventueel in combinatie met robots op de grond. 

Ook de Nederlandse Landmacht experimenteert met dronezwermen, laat een woordvoerder weten. Het is de bedoeling ze in de nabije toekomst in te zetten, voor verkenningsmissies. ‘Dan gaat het om opdrachten die ofwel veel mankracht vergen, ofwel gevaarlijk zijn, bijvoorbeeld omdat ze in vijandig gebied plaatsvinden. Denk aan het lokaliseren van vijandige voertuigen, of een vermiste soldaat.’

En voordat de Delftse drones op zoek kunnen naar slachtoffers in rampgebieden? Daarvoor moet het algoritme worden verbeterd, zodat het bijvoorbeeld ook met bewegende objecten kan omgaan, zegt Kimberly McGuire. Ook zouden betere batterijen helpen – de drones blijven nu maximaal acht minuten in de lucht.

Bovendien, voegt Guido de Croon toe, is er een obstakel dat niet om de techniek draait: autonome zwermen vergen een nieuwe verhouding tussen mens en robot. ‘We zijn gewend aan systemen die we controleren – jij moet daarheen, jij moet daarheen. Maar deze robots kunnen volledig autonoom opereren. Als we ze gaan gebruiken, moeten we dat willen accepteren. Al moet je misschien wel een stopknop inbouwen.’

Geïnspireerd door beestjes

Roboticus Guido de Croon legt een van de startpunten van de zwermrobotica bij de Italiaanse computerwetenschapper Marco Dorigo, die begin jaar negentig met verwondering naar het gedrag van mieren keek en zich afvroeg of dit ook in robots toepasbaar zou zijn.

Want mieren zijn meesterzwermers, legt De Croon uit. Vindt een werkster voedsel, dan laat ze op de terugweg naar het nest een spoor feromonen achter, dat andere mieren opmerken. Dit spoor vervaagt met de tijd, dus hoe dichterbij het voedsel, hoe sterker de geur. En hoe sterker de geur, hoe groter de kans dat een afzonderlijke mier besluit het spoor te volgen.

Eenvoudige statistiek dicteert vervolgens dat voedsel in de buurt de meeste bezoekers trekt, terwijl sommige mieren helemaal geen spoor volgen, zodat ze tegen nieuw voedsel aan kunnen lopen.

Hierdoor verspreiden ze zich netjes over de voedselbronnen, zonder dat de individuen veel intelligentie aan de dag hoeven leggen.

Nog altijd vormt de natuur een inspiratiebron voor robotbouwers. Zo werkt de onderzoeksgroep van Sabine Hauert samen met biologen die vissenscholen bestuderen bij het ontwikkelen van zwermen robotvissen.

Meer spannende ontwikkelingen in de robotica

Op dit moment wordt wereldwijd gewerkt aan robots die niet hard en onbuigzaam zijn, maar juist flexibel als wormen, teder genoeg om een bloem te plukken, zelfs in staat de eigen huid te laten golven. Lees hier waarom je dat zou willen.

Robot Sophia groeide in korte tijd uit tot wereldster vanwege haar extreem menselijke voorkomen. Maar dat voorkomen zet mensen op het verkeerde been, vinden experts. 

Cyberhonden die de trap op lopen als echte honden, robotvogels die in de lucht amper van echte vogels te onderscheiden zijn. De realistische robotdieren zijn in opmars. 

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden