- Wat is zwermrobotica eigenlijk?
- Meer (bots) is meer
- Zwermrobotica-toepassingen
In de natuur zien we insecten, vogels en vissen vaak als een collectieve eenheid samenwerken om een gemeenschappelijk doel te bereiken, wat leidt tot snellere en nauwkeurigere resultaten dan wat een individu alleen zou kunnen behalen. Wetenschappers passen deze collectieve intelligentie steeds vaker toe op robots, wat enorm veel voordelen kan bieden en ons kan helpen met oplossingen voor ‘real-world’ uitdagingen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer hulp bij milieukwesties of zoek- en reddingsoperaties, maar naarmate zwermintelligentie verbetert – wat meer autonomie en efficiënter collectief gedrag mogelijk maakt – kunnen we ook steeds meer potentiële toepassingen in allerlei andere sectoren verwachten.
Wat is zwermrobotica eigenlijk?
Zwermrobotica wordt geïnspireerd door het collectieve gedrag van zelforganiserende en gedecentraliseerde zwermsystemen in de natuur, zoals die van insecten, vissen of vogels. Het doel van zwermrobotica is het gelijktijdig besturen van grote aantallen semi-slimme robots die al samenwerkend een taak kunnen uitvoeren door zwermgedrag toe te passen – zoals organisatie, navigatie, besluitvorming, enzovoort. Natuurlijke zwermen werken samen en communiceren zonder enige centrale controle. Ze reageren op veranderingen in hun directe omgeving, waardoor ze gemeenschappelijke doelen kunnen halen en complexe taken kunnen uitvoeren. Natuurlijke zwermen zijn uiterst flexibel, schaalbaar en robuust, en kunnen zich snel in formaties opstellen of juist verspreiden. Hoewel de individuen van zwermen over het algemeen beperkte vaardigheden bezitten en meestal geen algemene kennis hebben van de taak die voorhanden is of de zwerm waarin ze zich bevinden, heeft onderzoek aangetoond dat zeer intelligent en complex groepsgedrag kan ontstaan door communicatie tussen leden van de zwerm en de daaruit voortvloeiende informatieoverdracht.
Hoewel zwermrobotica nog in de kinderschoenen staat, richten steeds meer onderzoeksplatforms zich op de transitie van theorie naar prototype-systemen en toepassingen.
Deze natuurlijke zwermcapaciteiten, inzichten en eigenschappen worden ook gebruikt om robots te maken die qua gedrag en structuur eenvoudig zijn, maar in een zwerm uitstekend kunnen communiceren en samenwerken. Interactie tussen zwermbots kan direct (‘robot-to-robot’) of indirect (‘robot-to-environment’) plaatsvinden en het collectieve gedrag dat uit deze interacties voortvloeit stelt het zwermsysteem in staat complexe taken uit te voeren – net als de zwermen in de natuur. En hoewel zwermrobotica nog in de kinderschoenen staat, richten steeds meer onderzoeksplatforms zich op de transitie van theorie naar prototype-systemen en toepassingen.
Meer (bots) is meer
Dus hoewel de individuele onderdelen van een robotzwerm relatief eenvoudig zijn, kunnen ze in samenwerking met elkaar behoorlijk indrukwekkende taken uitvoeren die voor traditionele, individuele robots alleen niet makkelijk of zelfs onmogelijk zijn. De zwermbenadering heeft dan ook veel voordelen.
Schaalbaarheid
Schaalbaarheid is een van de belangrijkste voordelen van zwermrobotica. Ongeacht de grootte van de zwerm blijven de ‘rules of engagement’ bijvoorbeeld hetzelfde. En het is niet nodig om alle robots in een zwerm verbonden te houden met een centraal station of commandocentrum, aangezien hun interacties voornamelijk lokaal zijn en mogelijk worden gemaakt door ultrasone sensortechnologie en transmissiesystemen als radiofrequentie.
Flexibiliteit
Hun afhankelijkheid van interactie met de lokale omgeving betekent dat zwermen zeer flexibel en aanpasbaar zijn en snel op veranderingen kunnen reageren. Zwermbots kunnen oplossingen vinden door met elkaar samen te werken en hun rol te veranderen naargelang de taak die voorhanden is, of door op basis van veranderingen in hun omgeving gelijktijdig te handelen. Een paar kleine veranderingen in het algoritme dat de individuele bots in een zwerm bestuurt, kan resulteren in een enorme verscheidenheid aan complex zwermgedrag, waarbij bots bijvoorbeeld de taken van andere bots voltooien of zich collectief aanpassen aan wat er gedaan moet worden.
Robuustheid
Omdat de leden van de zwerm allemaal gelijk zijn, zijn zwermen enorm robuust. Een zwerm kleine, goedkope robots, elk met relatief beperkte mogelijkheden, kan een goed alternatief zijn voor één grotere, zeer capabele en dure robot. En één of een paar kapotte zwermbots – of omgevingsstoringen of systeemfouten – zullen weinig tot geen effect hebben op het operationele vermogen van de zwerm. Verder is de aansturing van de botzwerm decentraal, wat betekent dat de bots niet door één andere robot (of een menselijke operator) worden aangestuurd.
Zwermrobotica kan potentieel worden gebruikt om kunstmatige bijen en insecten te creëren om gewassen te bestuiven, waardoor we ecologische rampen mogelijk kunnen voorkomen.
Zwermrobotica-toepassingen
Hoewel zwermrobotica nog relatief jong is en nog niet op grote schaal wordt gebruikt, is de ontwikkeling van verschillende toepassingen al in volle gang. Momenteel worden zwermrobots vooral bij militaire en verkenningsoperaties ingezet, maar ze zouden binnenkort onder andere ook in de mijnbouw of in de agrarische sector kunnen worden gebruikt. Een zwerm onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) kan bijvoorbeeld brandweerlieden tijdens brandbestrijdingsoperaties ondersteunen door belangrijke informatie over veranderende omstandigheden te verzamelen en door te geven. Zwermrobotica kan ook van waarde zijn voor omgevingsmonitoring, het zoeken naar en redden van overlevenden bij natuurrampen of het opruimen van olievervuiling op zee. Robotzwermen kunnen bovendien worden ingezet voor collectieve verkenning, het opzetten van communicatienetwerken, het optimaliseren van ‘connected’ transportnetwerken, het zoeken naar objecten en het bewaken van de omgeving. Ook kan zwermrobotica potentieel worden gebruikt om kunstmatige bijen en insecten te creëren om gewassen te bestuiven, waardoor we ecologische rampen mogelijk kunnen voorkomen. Onopvallende robotzwermen kunnen ook ingezet worden als real-time verzamelaars van informatie die essentieel is voor de prestaties van diverse ‘connected’ systemen.
Hier zijn enkele ‘real-world’ voorbeelden van zwermrobotica in actie.
“Dit is de eerste keer dat een dronezwerm met succes buiten in een ongestructureerde omgeving vliegt, in het wild. In de komende jaren hebben we waarschijnlijk zeer betrouwbare [zwerm]systemen”.
Enrica Soria, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne
Zwermbots vliegen autonoom door dicht bamboebos
Tijdens een indrukwekkend experiment door wetenschappers van de Zhejiang University slaagde een zwerm van tien speciaal gebouwde drones ter grootte van een handpalm – uitgerust met boordcomputers, hoogtesensoren en dieptecamera’s – er onlangs in om autonoom door een dicht Chinees bamboebos te vliegen. De zwerm ontweek takken en andere obstakels en wist zonder problemen tussen de bamboestengels door te navigeren en de meest optimale route door het bos te nemen. Wat deze dronezwerm echt bijzonder maakt is zijn vermogen om zijn omgeving zelf te verkennen, in kaart te brengen en vervolgens zijn traject te plannen, met behulp van algoritmen die zorgen voor de coördinatie binnen de zwerm, optimale vluchtefficiëntie en het vermijden van botsingen. De wetenschappers voerden verschillende experimenten uit, waaronder een vlucht waarbij de drones in formatie moesten vliegen en eentje waarbij de zwermbots kriskras door elkaar moesten bewegen zonder tegen elkaar of een bewegend persoon aan te botsen. Xin Zhou, die het experiment leidde, zei: “Ons werk is geïnspireerd op vogels die soepel in zwermen vliegen, zelfs door dichte bossen”. En Enrica Soria, een roboticus aan het Swiss Federal Institute of Technology Lausanne, zegt: “Dit is de eerste keer dat een dronezwerm met succes buiten in een ongestructureerde omgeving vliegt, in het wild. In de komende jaren hebben we waarschijnlijk zeer betrouwbare [zwerm]systemen”. Omdat deze dronezwermen geen gebruikmaken van GPS of andere externe infrastructuur, kunnen ze onder andere worden ingezet bij natuurrampen als aardbevingen of overstromingen, om te bepalen waar hulp nodig is of om schade te beoordelen.
Zwermvoertuigen zorgen voor efficiëntere magazijnlogistiek
De toekomst van magazijnlogistiek is aangebroken met de LoadRunner prototype transportvoertuigen die ontwikkeld zijn door het Fraunhofer Institute for Material Flow & Logistics, in samenwerking met de magazijnapparatuur- en automatiseringstechnologie-leverancier KION. Met behulp van gedistribueerde kunstmatige intelligentie kunnen de LoadRunners in een zwerm opereren en snelheden tot tien meter per seconde bereiken. De perfect op elkaar afgestemde voertuigen kunnen zichzelf onder andere magnetisch aan elkaar koppelen en zo het transport van grote objecten mogelijk maken. Een test met pakketsortering leverde indrukwekkende resultaten op; in één uur tijd slaagden slechts 60 LoadRunners erin om meer dan 10.000 zendingen te sorteren, waarbij het traffic management-deel door AI werd geregeld. De voertuigen gebruiken 5G om met elkaar te communiceren, kunnen zelfstandig bestellingen aannemen en autonoom hun routes coördineren. Bovendien, als een van de LoadRunners defect raakt, hoeft het distributiecentrum alleen die specifieke te vervangen, terwijl de anderen in de zwerm hun werk ongestoord kunnen blijven voortzetten.
AI-gestuurde dronezwerm lokaliseert Hamas-terroristen
In wat een wereldprimeur leek te zijn slaagde de Israel Defense Forces (IDF) er in mei vorig jaar in om Hamas-terroristen met behulp van een AI-gestuurde dronezwerm te lokaliseren. In eerste instantie was er één menselijke operator nodig om de zwerm te besturen, waarna de drones – als een ‘connected’ eenheid – zelf verder navigeerden. De zwerm bestond uit kleine drones die met elkaar communiceerden om de doelen te lokaliseren en luchtaanvallen te leiden, wat een grimmig beeld schetst van de recente ontwikkelingen op het gebied van AI in militaire operaties en het potentiële gevaar van autonome robots in het leger onderstreept. Arthur Holland van het Instituut voor Ontwapeningsonderzoek van de Verenigde Naties zei: “Hiermee is een nieuw niveau bereikt op het gebied van autonomie en machine-tot-machine samenwerking in oorlogsvoering”. Volgens een IDF-commandant heeft de dronezwerm al meer dan 30 operaties uitgevoerd en zijn er plannen om meerdere dronezwermen beschikbaar te stellen om de IDF te ondersteunen.
De eigenschappen en mogelijkheden van zwermrobotica kunnen aanzienlijke ecologische en economische voordelen bieden op het gebied van slimme landbouwinitiatieven overal ter wereld.
Adaptieve zwermrobotica kan helpen bij slimme landbouwtaken
Onderzoekers van Texas A&M University System werken aan de ontwikkeling van een configureerbaar, schaalbaar en adaptief zwermsysteem dat uit onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) en grondrobots bestaat. Het zwermsysteem zorgt voor afvalvermindering, optimaal mestgebruik en minimaal waterverbruik. De relatief kleine machines in de zwerm verminderen ook de bodemverdichting, en hun toepassing van niet-chemische bestrijdingsmethoden helpt herbicideresistent onkruid terug te dringen. Al deze eigenschappen en capaciteiten kunnen aanzienlijke ecologische en economische voordelen bieden op het gebied van slimme landbouwinitiatieven overal ter wereld. “We ontwikkelen de technische en theoretische basis voor een schaalbaar zwermsysteem dat bestaat uit een fysieke robotzwerm van zowel grond- als luchtrobots, een digitale tweelingsimulator voor low- en highfidelity-simulaties, en een gebruiksvriendelijke gebruikersinterface voor boeren om dit CASS-systeem in gebruik te nemen”, vertelt Kiju Lee, een van de projectleiders. Lee vervolgt: “De huidige trends in precisie- en slimme landbouw richten zich vooral op grotere machines, één enkele robot of een paar robots die zijn geprogrammeerd om zeer gespecialiseerde taken uit te voeren. Dit project zal dienen als een cruciale stap naar ons langetermijndoel om een inzetbaar, gebruiksvriendelijk zwermrobotsysteem op te zetten dat als universeel platform kan dienen voor brede landbouwtoepassingen”.
Een laatste overweging
Robotzwermen moeten in de echte wereld kunnen functioneren, zich dynamisch kunnen aanpassen aan veranderingen en kunnen omgaan met gebeurtenissen en externe omstandigheden die moeilijk te modelleren of voorspellen zijn. Op het terrein van de zwermrobotica is de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt en capaciteiten als collectieve besluitvorming, autonomie, schaalbaarheid en aanpassingsvermogen maken deze technologie uitermate geschikt voor het oplossen van ‘real-world’ uitdagingen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer zoek- en reddingsoperaties, precisielandbouw, logistiek, bewaking en vele andere. Airlie Chapman van de Melbourne School of Engineering zegt: “UAV’s zullen onopvallender worden en steeds meer als big data-verzamelaars gaan fungeren. Kleinere voertuigen zullen hier een kerncomponent zijn en stilletjes real-time informatie verzamelen die van cruciaal belang is voor het optimaal presteren van ‘connected’ systemen”.
Het lijkt erop dat zwermrobotica in de toekomst tal van oplossingen zal kunnen bieden voor veel van onze uitdagingen, waardoor het wel eens een van de belangrijkste technologische ontwikkelingen van deze eeuw zou kunnen zijn.
