02/05/2024
Door Ad Spijkers
De 21e-eeuwse versie van een oude fabel: wie wint er in een hardloopwedstrijd tussen een robot en een dier?
We kennen allemaal de fabel van de haas en de schildpad die een wedstrijdje hardlopen houden. Een team van ingenieurs uit de Verenigde Staten en Canada ging op zoek naar een antwoord op de moderne variant van de vraag. De groep analyseerde gegevens uit tientallen onderzoeken en kwam tot een volmondig 'een dier'. In bijna alle gevallen lijken biologische organismen, zoals cheeta's, kakkerlakken en zelfs mensen, hun robot-tegenhangers te kunnen ontlopen. Aan het onderzoek werd onder meer deelgenomen door onderzoekers van de University of Colorado Boulder, de University of Washington en de Simon Fraser University in Greater Vancouver.
Technologische ontwikkeling
Dankzij twee eeuwen technologische ontwikkelng is de mens er in geslaagd ruimtevaartuigen naar de maan en Mars te sturen, en nog veel meer. Frustrerend is het dan dat we nog geen robots hebben die significant beter zijn dan biologische systemen bij het voortbewegen in natuurlijke omgevingen.
De onderzoekers hopen dat het onderzoek ingenieurs zal inspireren om te leren hoe ze meer aanpasbare, wendbare robots kunnen bouwen. Ze 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 die onderdelen. Dieren zijn juist een systeem dat goed samenwerkt
Het laboratorium op campus in Boulder is de thuisbasis van veel griezelige beestjes, waaronder verschillende harige wolfspinnen die ongeveer zo groot zijn als een halve dollar. Deze spinnen zijn natuurlijke jagers. Ze leven onder rotsen en kunnen met hoge snelheid over complex terrein rennen om prooien te vangen.
Energie van een kakkerlak
De vraag 'wie kan beter rennen: dieren of robots?' is ingewikkeld omdat het rennen zelf ingewikkeld is. In eerder onderzoek bekeken wetenschappers een reeks robots die het gedrag van de vaak verguisde kakkerlak proberen na te bootsen. Het HAMR-Jr model past op een cent en sprint met snelheden die gelijk zijn aan die van een cheetah. Maar hoewel deze robot een beweging voorwaarts en achterwaarts kan maken, beweegt hij niet zo goed zijwaarts of over hobbelig terrein. Kakkerlakken daarentegen hebben 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 onderzoekers deze opgedeeld in vijf subsystemen, waaronder kracht, frame, bediening, detectie en controle. Tot verbazing van de onderzoekers leken maar weinig van deze subsystemen niet te voldoen aan hun equivalenten bij dieren.
Hoogwaardige lithium-ionbatterijen kunnen bijvoorbeeld 10 kW vermogen leveren voor elke kg eigen massa. Dierlijk weefsel produceert ongeveer een tiende daarvan. Hun spieren kunnen niet in de buurt komen van het absolute koppel van veel motoren. Maar op systeemniveau zijn robots niet zo goed. Ontwikkelaars lopen tegen inherente compromissen op het gebied van ontwerp aan. Als ze proberen te optimaliseren voor één ding, zoals de rijsnelheid, verliezen ze misschien iets anders, zoals draaivermogen.
Lopen als een spin
Hoe kunnen ingenieurs robots bouwen die, net als dieren, meer zijn dan alleen de som der delen? Dieren worden niet op dezelfde manier in afzonderlijke subsystemen opgesplitst als robots. Quadriceps drijven bijvoorbeeld de 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 op te nemen die pijn en druk kunnen voelen.
De onderzoekers denken dat de toekomst van robotica neerkomt op 'functionele subeenheden' die hetzelfde doen. In plaats van stroombronnen gescheiden te houden van motoren en printplaten, kun je ze ook in één onderdeel integreren.
Ingenieurs zijn nog ver verwijderd van het bereiken van dat doel. Sommigen zetten stappen in deze richting, bijvoorbeeld via de Compliant Legged Articulated Robotic Insect (CLARI)-robot, een meerpotige robot die een beetje als een spin beweegt (foto). Deze robot is gebaseerd 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, mCLARI genaamd, kan in kleine ruimtes in alle richtingen bewegen, een primeur voor vierpotige robots.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Heiko Kabutz