Zachte robot denkt met zijn benen (video)

Een onderzoeksteam van Amolf heeft een zachte robot ontwikkeld die kan lopen, springen en zwemmen — allemaal zonder een brein, elektronica of AI. Slechts zachte buizen, lucht en slimme fysica.

De studie, die is gepubliceerd in Science, beschrijft een van de snelste zachte robots tot nu toe, en een van de eenvoudigste. De robot heeft geen computer, geen software en geen sensoren. Toch beweegt hij met verrassende coördinatie en autonomie, puur door zijn lichaam en de manier waarop het met de wereld interageert.

Wat drijft hem dan aan? De beweging is gebaseerd op een principe dat je waarschijnlijk wel kent, maar misschien hebt over het hoofd gezien. Denk aan die wiebelende, opblaasbare buismannen die voor tankstations dansen. Dezelfde fysica die hen doet bewegen, zou wel eens de sleutel kunnen zijn tot de volgende generatie autonome robots.

Aangedreven door een continue luchtstroom beginnen de zachte, buisvormige benen van de robot te oscilleren — net als die buismannen. Elk been beweegt op zichzelf willekeurig. Maar wanneer meerdere benen met elkaar verbonden zijn, gebeurt er iets onverwachts: hun bewegingen synchroniseren snel en vormen ritmische looppatronen.

“Plotseling ontstaat er orde uit chaos,” zegt eerste auteur Alberto Comoretto. “Er is geen code, geen instructies. De benen synchroniseren spontaan en de robot begint te bewegen.” Net als vuurvliegjes die synchroon flitsen of hartcellen die in harmonie pulseren, ontstaan complexe, collectieve bewegingen uit eenvoudige interacties.

En de robot is snel. Wanneer een luchtstroom als input wordt gegeven, bereikt hij een snelheid van 30 lichaamslengtes per seconde. Bij een Ferrari zijn dat er 20. Deze snelheid is orders van grootte hoger dan die van andere luchtgestuurde robots, die doorgaans centrale besturing vereisen.

Nog verrassender is dat de synchronisatie zich aanpast. Als de robot tegen een obstakel aanloopt, heroriënteert hij zichzelf. Wanneer hij van land naar water gaat, verandert het looppatroon spontaan van een in-fase springpatroon naar een zwemmende stijl. Deze overgangen gebeuren zonder centrale processor of besturingslogica. De beweging ontstaat simpelweg uit de nauwe koppeling tussen lichaam en omgeving.

“In de biologie zien we vaak vergelijkbare gedecentraliseerde intelligentie,” zegt co-auteur Mannus Schomaker. “Zeesterren coördineren bijvoorbeeld honderden buisvoeten met lokale feedback en lichaamsdynamica, niet met een centraal brein.”

Geen besturingssysteem nodig

Het onderzoek daagt het traditionele idee uit dat robots ingewikkelde besturingssystemen nodig hebben om levensecht gedrag te vertonen. “Eenvoudige objecten, zoals buizen, kunnen complex en functioneel gedrag vertonen, mits we begrijpen hoe we de onderliggende fysica kunnen benutten,” zegt hoofdonderzoeker Bas Overvelde. Overvelde noemt het liever geen robot. “Er is geen brein, geen computer. Het is in wezen een machine. Maar als het goed is ontworpen, kan het veel robotsystemen overtreffen en zich gedragen als een kunstmatig wezen.”

Mogelijke toekomstige toepassingen variëren van slimme pillen tot ruimtetechnologie. Veilige microrobots zonder micro-elektronica, die kunnen worden ingeslikt en medicijnen vrijgeven nadat ze autonoom het doelweefsel hebben bereikt. Robuuste, draagbare exoskeletten die synchroniseren met de loopstappen zonder processors — waardoor het energieverbruik wordt verlaagd terwijl de menselijke kracht wordt vergroot. Autonome mechanische machines die geschikt zijn voor extreme omgevingen zoals de ruimte, waar traditionele elektronica kan falen.

Met dit werk hoopt het team nieuwe manieren van denken over robotontwerp te inspireren: eenvoudigere systemen die adaptiever en robuuster zijn. Niet door middel van berekeningen en AI, maar door fysica.