Achtergrond Wetenschap

De robotevolutie kan beginnen. Hoe? Moeder Natuur vervangen door virtuele kraamkamer

Een van de eerste modellen van Guszti Eiben Foto Sanne De Wilde

Wat nu als je robots laat ontwikkelen door een digitale variant van Moeder Natuur? Dan krijg je robots die onze wildste fantasieën te boven gaan, denkt Guszti Eiben. De Amsterdamse hoogleraar kan eindelijk aan de gang met zijn idee.

Zeesterachtige wezens schuifelen in lange rijen richting de met klimplanten en onkruid overwoekerde betonnen wanden van de verlaten kerncentrale. Traag waggelend op hun lange, zachte poten verdwijnen ze door het gat in de muur richting de reactor. De wezens die de gevaarlijke ruimte onverstoorbaar binnengaan, zijn robots. Maar anders dan de robots die de wereld nu al bevolken, zijn ze niet ontworpen door mensen. Deze zijn ontstaan uit evolutie.

Moeder Natuur heeft de afgelopen vier miljard jaar bewezen dat evolutie voor elk ontwerpprobleem een oplossing biedt: door creaties telkens een beetje aan te passen, ze los te laten in de wereld en te kijken wie er overleeft, leiden minieme veranderingen uiteindelijk tot lichamen die in elke denkbare situatie kunnen overleven. Zie de mens. De inktvis. De vleermuis.

Zouden met het principe van evolutie geen robots gemaakt kunnen worden die veel beter op hun taak zijn toegespitst dan een menselijke ontwerper kan bedenken? De menselijke designer zit toch gevangen in het denkraam waarin we al snel uitkomen op armen en benen, of – doe eens wild  op een forse damschijf op wielen die de vloer zuigt. Laat het ontwerpproces over aan Moeder Natuur en wie weet wat voor soorten robots je wel niet krijgt.

Dit idee laat Guszti Eiben, hoogleraar kunstmatige intelligentie aan de VU in Amsterdam, al zeven jaar niet los. Wat nu als Moeder Natuur wordt vervangen door een supercomputer die razendsnel virtuele robots ontwikkelt, ze loslaat in een virtuele omgeving, waar ze virtuele taken moeten uitvoeren en waarna de beste bedenksels ‘overleven’ en zich mogen ‘voortplanten’ met andere overlevers?

Mooi idee. Bestaat ook al. Maar Eiben wil het een stap verder ontwikkelen. Wat nu als je de bedenksels in de echte wereld laat materialiseren, om daar te kijken hoe ze zich gedragen? Bouw de ledematen die de computer heeft bedacht met behulp van een 3D-printer, koppel ze aan motortjes en sensoren en laat ze los.

Wat Eiben wil, is nooit eerder gedaan. Iedereen die hij van zijn idee vertelde, vond het geweldig. Maar geen enkele onderzoeksfinancier wilde het plan ondersteunen. NWO wees Eibens onderzoeksvoorstellen af. De hoogleraar kocht een goedkope 3D-printer en bouwde uit een oersoep van servomotoren en printplaatjes een kleine robotwereld met robots die deels uit de simpele 3D-printer kwamen. Twee jaar geleden toonde hij de wereld de eerste babyrobot en een werkend proof of concept.

Guszti Eiben Foto Sanne De Wilde

Opnieuw: iedereen enthousiast. En weer werd het stil. Zeker omdat Eiben eigenlijk meer wilde. Stel, zegt hij, dat je echt goede 3D-printers hebt. En supercomputers. Dan kun je het hele ontwerpproces vrijgeven. Kun je robotlichamen ontwikkelen in elk denkbare vorm. Toegespitst op elke denkbare taak. Er zullen robotwezens ontstaan die onze wildste fantasieën te boven gaan. Die taken kunnen uitvoeren die we nu onmogelijk achten. Landbouw op Mars. Het delven van goud op de zeebodem. Of het ontmantelen van verlaten kerncentrales.

Die laatste bestaan volop. Groot-Brittannië alleen al telt elf centrales die buiten bedrijf zijn gesteld en wachten op ontmanteling. Enkele stammen uit de jaren vijftig. De ontwerpers zijn overleden en van sommige bestaan geen bouwtekeningen meer. Hun binnenste is een nucleair doolhof met vermoedelijk ingestorte delen, plassen olie en water en, wie weet, diepe scheuren in de betonnen vloeren. Zie die maar eens veilig uit elkaar te halen.

Volgens een schatting van de Britse Nuclear Decommissioning Authority vergt de ontmanteling van negentien bestaande nucleaire installaties de komende honderd jaar 100 miljard pond. Een studie door de universiteit van Birmingham kwam vorig jaar zelfs uit op omgerekend 300 miljard euro. Het proces is kostbaar, vergt veel tijd en hoe het precies moet, weet niemand.

Eiben, met zijn visie op robotevolutie inmiddels een goede bekende in de wetenschappelijke robotwereld dankzij vele publicaties in onder meer Nature, zou met zijn idee weleens een deel van de oplossing kunnen hebben. Wat nu als we robots laten evolueren tot hun lichamen en eigenschappen optimaal zijn voor het verrichten van opruimtaken in de verlaten complexen? 

Voorwaarden voor robots zijn dat ze klein genoeg zijn om door nauwe openingen naar binnen te kunnen, en flexibel genoeg zodat ze hun weg kunnen vinden tussen de vermoedelijke rommel, geulen, spelonken, mogelijk gevaarlijke vloeistoffen en wellicht ingestorte gedeelten. Moeten ze kunnen lopen, rijden of rollen? Moeten ze kunnen klimmen, grijpen en graven? Moeten ze daarvoor harde klauwen hebben, of juist zachte, inktvisachtige tentakels? Opnieuw: niemand die het weet.

En dat hoeft ook niet. Als de ontwikkeling van de schoonmakers wordt overgelaten aan Moeder Natuur of haar digitale pendant, komt het vanzelf goed. Of volgens Eibens motto: evolutie is de beste ontwerper.

Samen met Britse collega’s van de universiteiten van Bristol, Edinburgh en York schreef de VU-hoogleraar een onderzoeksvoorstel voor de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), de Britse tegenhanger van de Nederlandse onderzoeksfinancier NWO. Elke universiteit heeft haar eigen specialiteit: Bristol heeft tweehonderd robotwetenschappers en industriële 3D-printers. York heeft materiaalwetenschappers die gaan werken aan nieuwe kunststoffen waarmee de harde delen van de robots (de mechatronics) ontwikkeld kunnen worden. In Edinburgh staat een supercomputer die een parallelle wereld kan creëren waarin robots en hun evolutie worden gesimuleerd.

Foto Sanne De Wilde

Nadat het plan was ingediend, brak opnieuw een periode van wachten aan. Bijna onverwacht, op een vrijdagmiddag in december, kwam er een mailtje uit Groot-Brittannië. Het leek erop dat de EPSRC Eibens plannen wilde financieren. Er was geld, veel geld: omgerekend ruim 2 miljoen euro, te verdelen over de drie Britse onderzoeksinstituten die elk hun eigen deel gaan uitvoeren. Precies volgens de visie die Eiben nu alweer jaren geleden vormgaf. De hoogleraar maakte een luchtsprong in zijn kantoor en organiseerde nog dezelfde middag een borrel voor naaste medewerkers. Zijn robotevolutie kon beginnen.

Nu zit hij, nog altijd wat beduusd, te stralen in zijn werkkamer. Het onderzoek, dat in augustus begint, zal uit drie onderdelen ontstaan, schetst Eiben. Er komt een fysieke omgeving die bestaat uit een geboortekliniek en testruimtes. Daar zullen robots worden gefabriceerd met een 3D-printer en losse onderdelen zoals sensors, motoren en chips. Deze mechatronics zijn de organen van de robots, en worden geplukt uit een organenbank. Hoe de robots eruit zullen gaan zien: niemand die het weet.

De ‘robotbaby’s’ zullen eerst worden getraind in een school, net als mensen, zodat ze basisvaardigheden kunnen opdoen, zoals lopen. De succesvolle types worden na een leerperiode losgelaten in een ‘nucleaire grot’ zonder straling, met leidingen en rommel op de grond, waar de robots hun weg moeten zien te vinden, geobserveerd door de onderzoekers. Hun taak: de omgeving in kaart brengen en spullen opruimen. ‘De apparaten zullen niet groter worden dan een voetbal’, zegt Eiben. Dat heeft een praktische reden: ze zijn eenvoudiger te bouwen en ze moeten straks in een echte reactor door kleine openingen kunnen.

Gelijktijdig zal er een virtuele ruimte komen die een exacte kopie is van de echte ‘grot’, met dezelfde soort virtuele robots, wier gedragingen worden gesimuleerd door een supercomputer. Deze computer zal volgens evolutionaire modellen nieuwe varianten van de robots creëren en deze loslaten in de virtuele ruimte.

‘Het mooie van deze opzet is dat we succesvolle echte robots kunnen kruisen met succesvolle virtuele varianten’, zegt Eiben. Als virtuele robotkinderen in de virtuele wereld succesvol zijn, kunnen de onderzoekers besluiten zo’n robotkind ‘in het echt’ geboren te laten worden, uit de 3D-printer, zodat ze in de echte wereld kunnen rondscharrelen. Zo wordt het voordeel van computerevolutie (snel en veel) gekoppeld aan praktijkevolutie (langzaam en realistischer). ‘Door beide te combineren kunnen we de zogenoemde reality gap verkleinen.’

Wat is kunstmatige intelligentie?

Tot de millenniumwisseling werd kunstmatige intelligentie vooral beschouwd als digitale intelligentie, denkende machines, zoals de schaakcomputer. Maar deze intelligentie bestaat alleen virtueel, zegt Eiben. Door ze te verpakken in robots kan een nieuw fenomeen ontstaan: lijfelijke intelligentie. Door lichaam en geest samen te brengen en te laten reageren om een omgeving, ontstaat gedrag. Een robot op mars zal zich door zijn omgeving vermoedelijk anders ontwikkelen dan een robot in een goudmijn of in een afgedankte kernreactor.

Door van de robotvarianten die in een bepaald milieu ontstaan, telkens de beste lichamen en breinen te laten overleven, ontstaat als vanzelf evolutie. De mens kan hier ook ingrijpen door zelf de beste exemplaren te selecteren en die door te fokken, zoals we al millennia doen. De natuur zorgt voor reproductie, de mens doet selectie. Een proces dat we kennen uit de landbouw. ‘Evolutie heeft geleid tot intelligentie’, zegt Eiben. ‘Kijk maar naar ons. Nu maken we de volgende stap en zullen we met kunstmatige evolutie echte kunstmatige intelligentie creëren.’

Virtuele robots kunnen worden gekruist met echte robots, echte met echt en virtuele met virtuele. ‘De genetische code in de echte wereld moet identiek zijn aan die in de virtuele. Daardoor kunnen we beide met elkaar kruisen’, zegt Eiben. ‘Dit was een van mijn diepere inzichten toen ik aan het concept werkte.’ In deze evolutionaire snelkookpan kan de evolutie een zetje krijgen en kunnen in relatief korte tijd bruikbare robots worden ontwikkeld, is het idee.

Evolutie is zeker niet in alle gevallen de beste designer, zegt Andy Tyrrell, hoogleraar electronic engineering aan de universiteit van York en medeonderzoeker. Dat klopt. Evolutie heeft nooit een hyena op wielen bedacht, terwijl het wiel in sommige omstandigheden toch grote voordelen biedt.

‘Maar’, vervolgt Tyrrell, ‘evolutionaire processen zijn wel bijzonder goed in het creëren van effectieve ontwerpen wanneer weinig bekend is over het systeem waarin ze moeten opereren, en waar mogelijk tegenstrijdige doelen bestaan waarvoor niet één oplossing is.’ Precies de omgeving waarin deze robots moeten werken.

De schoonheid van het project zit hem volgens Eiben in de twee fasen waaruit het bestaat: het eerste deel bestaat uit engineering, het tweede uit wetenschap. Een ideale combinatie, zegt Eiben. ‘Eerst ga je het instrument ontwikkelen, om er daarna proeven mee te doen.’ Het instrument, de zogenoemde evosphere, waar robots evolueren, leren en overleven om daarna nageslacht te krijgen, bestaat immers nog niet. Eiben: ‘Zoals een astronoom een telescoop nodig heeft om de sterren te kunnen bestuderen, en een kernfysicus een cyclotron, zo heeft een ontwikkelaar van evolutionaire robots een evosphere nodig.’

De evosphere, met zijn 3D-printers en supercomputers, wordt in de eerste helft van het vier jaar durende onderzoeksproject gebouwd, in de tweede periode zal de robotevolutie in de praktijk plaatsvinden. Het ultieme doel: autonome kolonies van zichzelf voortplantende robots, liefst in een gesloten kringloop waarbij versleten of onbruikbare robots worden hergebruikt, zonder menselijk toezicht. Of het tot een werkend concept komt, is onzeker. ‘De twee lastigste gebieden zijn de integratie tussen hardware en software en de ontwikkeling van een geautomatiseerd assemblagesysteem’, zegt Tyrrell.

Het idee van robots die zichzelf voortplanten, boezemt sommigen angst in. ‘Er zijn mensen die denken dat het gevaarlijk is wat we doen’, zegt Alan Winfield, hoogleraar robotethiek aan de universiteit van Bristol en een van de projectonderzoekers. ‘Maar wat we doen is in feite kunstmatige selectie; wat boeren al millennia doen met gewassen en vee. Maar dan met robots.’ Bovendien is het lab een gesloten systeem, stelt Winfield. De robots lopen niet zomaar de buitenwereld in. ‘We zijn al lucky als ze sowieso ergens naartoe gaan’, zegt hij aan de telefoon. Daarnaast zullen de robots hun energie uit accu’s halen, en die zullen vrij snel leeg zijn.

Guszti Eiben in zijn lab in Amsterdam Foto Sanne De Wilde

Ook Alex Ellery, universitair docent aan de Canadese Carleton Universiteit en gespecialiseerd in de risico’s van robots die zichzelf kunnen vermenigvuldigen, denkt dat eventuele gevaren van het project voldoende zijn ondervangen. ‘Vanwege de beperkingen van de onderzoeksomgeving en de menselijke greep op de beschikbaarheid van bouwstenen.’ Met andere woorden: de robots zullen niet uit het lab kunnen ontsnappen en als de toevoer van grondstoffen wordt gestaakt, stopt hun evolutie vanzelf. Dat maakt de kans op robots die de wereld overnemen zo goed als nul.

Zullen over vier jaar overal ter wereld robotbaby’s geboren worden, die voor allerlei toepassingen ingezet gaan worden? De onderzoekers achten dat onwaarschijnlijk. ‘Over vier jaar hopen we te hebben aangetoond dat kunstmatige evolutie mogelijk is, en dat we apparatuur en instrumenten hebben ontwikkeld waarmee we onze ideeën verder kunnen ontwikkelen’, zegt Tyrrell.

‘In mijn wildste droom ontdekken we nieuwe aspecten in evolutie’, schetst Winfield. ‘Dat we over vier jaar meer inzicht hebben in de evolutieleer. Dat zou al geweldig zijn.’

Ook Eiben is optimistisch: ‘Ik hoop dat we straks bestaande en nieuwe wetenschappelijke vragen kunnen beantwoorden.’

Op 27 mei geeft Guszti Eiben een Paradisolezing over kunstmatige intelligentie, kunstmatig leven en robotevolutie: Robot zijn – dat is toch geen leven!

Meer over