- Wat is zwermrobotica eigenlijk?
- Geïnspireerd door de natuur: bijenzwermen, mieren en vissen wijzen ons de weg
- Robotzwermen zijn betrouwbaarder dan een enkele robot
- Waar komen we zwermrobots in de toekomst tegen?
- Wanneer kunnen we zwermrobotica inzetten om real world problemen op te lossen?
Stel je de trieste gebeurtenis van een natuurramp als een overstroming of aardbeving voor. Hoe mooi zou het zijn als we een groep robotjes konden inzetten die het rampgebied in kaart brengen, op zoek gaan naar overlevenden, over obstakels vliegen of klimmen, zich samenvoegen tot een groot apparaat om zware voorwerpen te kunnen verplaatsen en zich vervolgens hergroeperen tot brancards om gewonden naar de helikopter te brengen? Dit is slechts een van de vele toekomstige toepassingen van swarm robotics of zwermrobotica – kleine robotjes die, gekoppeld aan elkaar, complexe opdrachten kunnen uitvoeren. Maar denk bijvoorbeeld ook aan voor het oog onzichtbare nanorobots die in je bloedbaan op zoek gaan naar zieke cellen en deze vervolgens uitschakelen.
1.Wat is zwermrobotica eigenlijk?
Het relatief nieuwe gebied van de zwermrobotica ontstond in het begin van de jaren 2000 en wordt geïnspireerd door het groepsgedrag van de zwerm in de natuur. Omdat ze in een kolonie ingenieus gedrag vertonen zijn dieren in een zwerm voor onderzoekers zeer interessant. Zwermintelligentie is gebaseerd op het collectieve gedrag van een gedecentraliseerd en zelforganiserend systeem en zwermrobotica is gebaseerd op het gelijktijdig besturen van grote aantallen minuscule robots, met als doel een taak uit te voeren die te complex is voor een enkele robot. De zwerm zelf is niet intelligent. De robotjes worden zo geprogrammeerd dat ze op elkaar reageren en onderling dingen met elkaar afstemmen zodat ze een missie gezamenlijk kunnen uitvoeren.
2. Geïnspireerd door de natuur: bijenzwermen, mieren en vissen wijzen ons de weg
Zwermgedrag zien we bij bijen, wespen en mieren. Ingenieurs zien deze insecten als interessante en waardevolle voorbeelden die kunnen dienen als inspiratie voor de ontwikkeling van robots die op dezelfde manier te werk gaan. De manier waarop bijen nectar verzamelen bijvoorbeeld, is eigenlijk een algoritme dat gerepliceerd en gebruikt kan worden in de zwermrobotica. Bijen hebben een enorm complexe zelforganisatie, zonder centraal gezag. Ze kunnen taken uitvoeren zonder dat ze een opdracht krijgen. De gecompliceerde taken stijgen ver uit boven de capaciteiten die een enkeling heeft – de zwerm is veel intelligenter. Dit zien we ook bij de choreografie van spreeuwen of vissenscholen die de vorm van een grote vis aannemen om een roofvis af te schrikken. Ook uit de kakkerlak halen ingenieurs inspiratie. Deze diertjes kunnen bijvoorbeeld veranderingen in luchtdruk waarnemen, wat hen in staat stelt om gevaar extreem snel waar te nemen en te ontwijken.
3. Robotzwermen zijn betrouwbaarder dan een enkele robot
Het voordeel van een zwerm, in vergelijking met een enkele robot, is dat een zwerm betrouwbaarder is. Wanneer een robot namelijk een belangrijke taak moet uitvoeren en een van zijn onderdelen kapotgaat, kan dat rampzalige gevolgen hebben. Met duizenden eenvoudige, kleine robotjes is het veel minder problematisch als er een aantal – of misschien zelfs honderd – falen.
De minibots in een zwerm zijn gemaakt van ultralichte materialen, compacte sensoren en draadloze technologie. Vergeleken met de huidige minuscule zwermrobots waren de eerste minibotvarianten nog vrij grof en niet in staat om complexe taken uit te voeren. Ze leken op kleine vogeltjes en ze konden ook vliegen, maar ze waren zwaar en hun accu’s hielden het niet lang vol. De technologische vooruitgang in de 2010’s stelde ons in staat om nieuwe spiondrones te ontwikkelen die niet alleen qua afmetingen maar ook qua lichaamsbouw, gedrag en bewegingen op insecten leken. Nu elektronische componenten alsmaar kleiner worden en technologie als kunstmatige intelligentie zich steeds verder ontwikkelt, zijn we binnenkort in staat om met deze minimachines grotere, betere netwerken te creëren waarmee we een steeds grotere verscheidenheid aan taken kunnen uitvoeren.
4. Waar komen we zwermrobots in de toekomst tegen?
Een zwerm robots kan zeer nuttig zijn voor het bestuiven van gewassen, het stapelen van zandzakken als er overstromingen dreigen of het verkennen van een onbekende omgeving zoals het oppervlak van een planeet. Ook kunnen ze ingezet worden voor het kunstmatig bestuiven van gewassen in gebieden die te kampen hebben met de instorting van bijenkolonies. Een andere taak die door zwermrobots uitstekend uitgevoerd zou kunnen worden is het monitoren van het milieu. Ook in de gezondheidszorg, de bouw en tijdens reddingswerkzaamheden kunnen ze in de toekomst zeer belangrijke taken vervullen.
Militaire toepassingen
In 2030 zijn we in staat om machines te creëren die kleiner zijn dan 0,15 mm – bijna onzichtbaar voor het blote oog. Dat maakt hen geschikt voor een groot aantal toepassingen, zoals in het leger, waar men voortdurend op zoek is naar manieren om de situatie van soldaten in het veld te verbeteren. Zwermrobotica kan hen in de toekomst in staat stellen om levensgevaarlijke taken uit te voeren zonder veel risico te lopen. Met miljoenen van deze minuscule machines – kruipende of vliegende robotjes – is men in staat om grote netwerken te vormen. Deze netwerken kunnen vervolgens door UAV’s door middel van capsules worden gedropt en taken uitvoeren zoals geavanceerde verkenning of het coördineren van aanvallen, hetzij door zich te richten op vijandelijke soldaten, hetzij door grote militaire voertuigen uit te schakelen. Dat laatste zou kunnen worden bereikt door de zwermrobots met speciale techniek te bewapenen. Daarmee kunnen ze elektronische en andere defensieve apparatuur binnendringen en de vijand kwetsbaar maken voor fysieke aanvallen. De robotzwermen zouden zelfs via scheuren, ventilatieopeningen of sleutelgaten ondergrondse bunkers kunnen binnendringen.
Van virtueel onderzoek naar de echte wereld
Het merendeel van het zwermrobotica-onderzoek heeft zich tot op heden beperkt tot virtual reality-simulaties. Het probleem met deze simulaties is echter dat zij geen rekening houden met de beperkingen in de echte wereld. Daarom is het belangrijk om ook in realistische omstandigheden te experimenteren met zwermgedrag-algoritmen omdat dat meer nauwkeurige resultaten oplevert. Zolang deze onderzoeken zich beperken tot laboratoria of proeftuinen moeten de zwermrobots zo klein mogelijk zijn, vooral omdat er duizenden van nodig zijn om de algoritmes goed te kunnen testen. Vanwege de grote aantallen moet er ook een manier gevonden worden om de productie- en onderhoudskosten zo laag mogelijk te houden en dit kan gerealiseerd worden door de minibots van goedkope materialen en onderdelen te maken. Bovendien is het belangrijk dat de robots modulair ontworpen worden zodat men in staat is om hardware als sensoren eenvoudig te wisselen. Dit stelt de robots in staat zich aan te passen aan veranderende algoritmen en taken.
Betaalbare modulaire robots
In juni 2016 ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Toronto’s Department of Mechanical Engineering een modulaire robot die aan al deze eisen voldoet: mROBerTO. Deze robot kost ongeveer $ 60 om te produceren en ook al is hij nog niet te koop, toch hebben de ontwikkelaars de soft- en hardware bronbestanden wel al beschikbaar gemaakt. mROBerTO is maar 16x16mm groot en wordt geleverd met een modulair ontwerp zodat je verschillende componenten eenvoudig kunt toevoegen of verwijderen. De mROBerTO kan gebruikt worden voor verschillende projecten waar miniatuurrobots voor nodig zijn maar hij werd met name gebouwd om onderzoekers van zwermrobotica betaalbare fysieke tools te bieden om algoritmen te kunnen testen. Elke robot heeft een unieke ID en is uitgerust met IR photoresistors en zenders. Hiermee kunnen ze IR-signalen verzenden en ontvangen en de positie van en afstand tot andere robots bepalen. Ze hebben ook draadloze Bluetooth Smart en ANT-functionaliteit waarmee ze met elkaar communiceren.
Zwermen nanorobots in de strijd tegen kanker
Nanotechnologie is een ander type zwermrobotica met steeds meer veelbelovende toepassingen in een groot aantal sectoren, zoals de geneeskunde. Wetenschappers van verschillende universiteiten hebben onlangs aangekondigd dat ze in staat waren om nanorobots door de bloedbaan te laten navigeren en medicatie in kankercellen te injecteren. Dit is een baanbrekende ontwikkeling in de voortdurende strijd tegen kanker waarmee we eindelijk korte metten kunnen maken met de ziekte die al zoveel slachtoffers heeft gemaakt. Conventionele behandelingsmethoden als chemotherapie kunnen ook gezonde organen en weefsels van de patiënt beschadigen maar met nanotechnologie zijn we binnenkort in staat om alleen de kankercellen te vernietigen, zonder nadelige gevolgen voor het omliggende weefsel. Professor Sylvain Martel, een van Canada’s belangrijkste onderzoekers in de medische nanorobotica en directeur van het Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory, leidt teams van Polytechnique Montréal, McGill University en Université de Montréal in het testen van deze methode op muizen. Tot op heden zijn er echter nog geen menselijke proeven geweest.
Gewapend met kankerdodende bacteriën
De nanorobots in kwestie zijn eigenlijk samengesteld uit een stam van Magnetococcus marinus-bacteriën of MC-1. Elke robot heeft meer dan 100 miljoen van deze bacteriën en magnetische ijzeroxide nanokristallen. Elke tumor bevat hypoxische zones, cellen met een laag zuurstofgehalte, die meestal niet reageren op radio- of chemotherapie of andere behandelingsmethoden. Nanobots die ingebracht worden in de tumor kunnen deze zones lokaliseren en ze direct met medicatie injecteren. Tijdens de proeven waren de MC-1 nanocarriersin staat om de doelgebieden in de muizen te bereiken en werd meer dan de helft van de MC-1-bacteriën succesvol in de hypoxische zones van de tumoren geïnjecteerd. Niet alleen verbetert deze transportmethode de effectiviteit van chemotherapie, het maakt het ook mogelijk om betere technieken en methoden te ontwikkelen voor interventie, imaging en diagnostisering.
5. Wanneer kunnen we zwermrobotica inzetten om real world problemen op te lossen?
Zwermrobotica heeft het potentieel om flexibiliteit, robuustheid en schaalbaarheid te bevorderen, maar de techniek is nog niet beschikbaar om problemen in de echte wereld op te lossen. Er is nog veel onderzoek nodig om de hardwareproblemen te elimineren die de functionaliteit van deze robotsystemen nu nog beperken. In een gecontroleerde testomgeving kan een robotzwerm wel overleven maar hoe gaat dat in de echte wereld? Hoe laadt een zwermrobot zich bijvoorbeeld op? Gedragsbesturing is een ander gebied van zwermrobotica dat onderzocht en getest moet worden om effectieve communicatiemethodes tussen de bestuurder en de zwerm te ontwikkelen. Bovendien is het belangrijk om case studies te ontwikkelen om te demonstreren dat zwermrobotica in bijvoorbeeld de landbouw of afvalverwerking effectiever kan zijn dan de huidige methoden. Volgens experts bestaat er een enorme markt voor zwermrobotica en zijn er veel kansen en groeimogelijkheden. Er zijn inmiddels al een aantal zwermrobotica-startups ontstaan en men verwacht in de toekomst een hele nieuwe bedrijfstak. Watch this space.
