Snel lezen

  • Termieten bijen en mieren hebben een brein ter grootte van een speldenknop;
  • Dat weerhoudt ze niet van het bouwen van de meest fantastische constructies;
  • Die ‘stigmergie’ blijkt ook te werken bij robots.

Gepubliceerd in KIJK, september 2014

Hij heeft wel wat weg van een mestkever, de robot die is gebouwd door Kirstin Petersen van het Wyss Institute for Biological Inspired Engineering van Harvard University. Niet alleen in uiterlijk, ook in gedrag. Zoals hij manoeuvreert met een piepschuimen tegel, een ‘brick’, heeft wel wat weg van een mestkever die een mestbal probeert te verplaatsen. In plaats van voorpootjes heeft hij, net als een vorkheftruck, een tweetandige vork die hij heen en weer beweegt in de daarvoor bestemde openingen van een ‘brick’; eerst aarzelend, een beetje erin, een beetje eruit, maar ineens klapt de vork om en ligt de ‘brick’ op zijn rug. Vervolgens gaat hij ermee aan de wandel en legt hem op een muurtje van twee stenen hoog.

 

Volgens Justin Werfel, de leider van het onderzoeksteam, hebben we zojuist een demonstratie gezien van “stigmergie” bij robots. Stigmergie is een samentrekking van het woord stigma (merkteken) en ergon (werk). Het verwijst naar een mechanisme voor indirecte actie. Een merkteken dat een actor, in dit geval de robot, heeft achtergelaten in de omgeving, zet aan tot een nieuwe actie door diezelfde of een andere actor. Het mechanisme is vooral bekend van sociale insecten, maar blijkt ook bruikbaar om eenvoudige robots ingewikkelde taken te laten doen.

 

Termieten

Met name termieten zijn de bron van inspiratie voor Justin Werfel en zijn team. Deze insecten van nog geen centimeter lengte, bouwen constructies van 5 meter hoog, 500 maal hun lengte. Ter vergelijking: Het hoogste gebouw ter wereld is, met 828 meter de Burj al Khalifa in Dubai, net iets minder dan 500 keer 1,67 meter, de gemiddelde lichaamslengte van de mens.

In geval van de Burj el Khalifa heeft de architect een ontwerp getekend; zijn tientallen constructeurs bezig geweest met sterkteberekeningen en zijn er duizenden bestekstekeningen en materiaallijsten gemaakt. Vele duizenden aannemers, onderaannemers en uitvoerders zijn aan het werk gegaan onder leiding van een bouwteam, bestaande uit honderden projectingenieurs om te zorgen dat alle activiteiten goed op elkaar werden afgestemd, zodat de stukadoor niet werd besteld voor de metselaar klaar was met zijn werk.

Niets van dat alles bij een termietenheuvel. Termieten maken kleine balletjes van modder en leggen die willekeurig neer. Ze laten een geurspoor achter op het balletje, een feromoon, waardoor een van zijn collega’s zijn balletje er boven op legt. Omdat ook dit balletje wordt voorzien van een geurspoor, wordt de geur sterker, dus ook termiet nummer drie legt zijn balletje erop. Enzovoort, enzovoort, tot er een kolom van modder staat. Geursporen van nabijgelegen kolommen leiden ertoe dat geleidelijk aan de toppen van de kolommen naar elkaar toebuigen tot de uiteinden elkaar tegenkomen in een boog. Die kolomgedragen bogen vormen de basis van de constructie, de termietenheuvel.

 

Geursporen

In eerste instantie vormen de geursporen het belangrijkste signaal voor actie van de termieten, maar later gaan ook andere veranderingen in de omgeving een rol spelen. In de termietenheuvel in aanbouw is de hoeveelheid waterdamp en kooldioxide net iets anders dan in de buitenlucht en verandert ook tijdens de bouw. De termieten signaleren die veranderingen ter plekke en leggen hun modderbolletjes net ietsje anders neer. Uiteindelijk ontstaat een constructie met aparte ruimtes voor de koningin, voor het broed en voor het voedsel, met loopgangen en met een behoorlijk geavanceerd natuurlijk ventilatiesysteem.

Anders dan bij de bouw van de Burj al Khalifa heeft geen enkele termiet – ook de koningin niet – dus enig idee hoe de uiteindelijke heuvel eruit zal gaan zien. Er is blauwdruk noch bestek, maar alleen duizenden eenvoudige insecten die eenvoudige regels volgen. En, niet te vergeten, miljoenen jaren evolutie.

Het ligt voor de hand dat de architectuur van de termietenheuvel het succes van de kolonie bepaalt. Een heuvel die iets beter is aangepast aan de omgeving levert meer nageslacht op dan een andere die wat minder goed is aangepast. Een iets andere manier van bouwen kan net een evolutionair voordeel opleveren, waardoor de ene bouwregel na vele generaties nog wel bestaat en de andere is verdwenen. Spontane mutaties en de dwingende kracht van selectie hebben uiteindelijke geleid tot regels voor het bouwen, die ingewikkelde constructies opleveren, waarin de kolonie kan voortbestaan.

 

Gedragsregels

Evolutie van robots door mutatie en selectie is, anders dan bij termieten, voorlopig nog toekomstmuziek. Vandaar dat Justin Werfel en zijn medewerkers vooraf vaststellen wat voor constructie er gebouwd moet worden. Voorlopig zijn dat vooral simpele constructies, zoals een piramide, maar in principe zijn ingewikkelder vormen mogelijk. Met behulp van een door hen ontwikkeld algoritme wordt die constructie vertaald in een set eenvoudige gedragsregels voor de robots.

Die termietrobots, zoals we ze maar noemen, zijn ongeveer twintig keer zo groot als echte termieten en zijn uitgerust met een aantal infraroodsensoren. Daarmee kunnen ze de bricks herkennen en kunnen ze navigeren over een ‘grid’ patroon dat op de tafel is aangebracht. Verder beschikken ze over een sonar waarmee ze hun collega-robots kunnen lokaliseren en botsingen kunnen vermijden. Dankzij hun ‘whegs’, een combinatie van ‘wheels’ en ‘legs’ kunnen ze zowel rijden als klimmen.

Die eigenschappen en gereedschappen stellen de robots in staat om ‘bricks’ op te pakken en ergens anders weer neerleggen, op de grond of op andere ‘bricks’; om te navigeren, zowel op de grond als op constructie zelf; om te klimmen en om te reageren op elkaars aanwezigheid. Naast de gedragsregels die voortvloeien uit de constructie die ze moeten bouwen, hanteren ze daarbij ook een aantal eenvoudige verkeersregels, zoals binnen de bouwplaats blijven en niet tegen elkaar aanrijden.

Op basis van die gedragsregels kunnen de termietrobots min of meer zelfstandig reageren op de veranderingen in de omgeving, die ze zelf veroorzaken met hun bouwwerkzaamheden. Daarin verschillen ze bijvoorbeeld van klassieke robots die zo is geprogrammeerd dat hij altijd precies dezelfde beweging maak. Wil je een andere beweging, bijvoorbeeld voor een ander type auto, dan moet je de robot daarvoor opnieuw programmeren. De termietrobot daarentegen kan zijn steen nu eens hier neerleggen en dan weer daar, afhankelijk van de stenen die er al liggen.

 

Zandzakken

Tijdens de demonstratie van de termietrobots gaat niet alles volgens plan. Flitslicht van de aanwezige fotografen zorgt ervoor dat een van de robots terugdeinst voor zijn taak en vervolgens helemaal stilvalt. Een andere robot heeft wat menselijke hulp nodig om op een steen te klauteren en de derde pikt met zijn sonar een onbekend voorwerp op, namelijk het been van iemand die te dicht bij de tafel staat. ‘Kinderziekten’, zegt Kirstin Petersen. ‘Waar het om gaat is dat we hebben laten zien dat je iets kunt bouwen met een kolonie simpele robots, die simpele gedragsregels volgen.’

Hoewel de constructies simpel zijn, ziet Justin Werfel op korte termijn al toepassingen van de termietrobots. ‘Stel dat er een overstroming dreigt’ zegt hij. ‘Je wil de dijk verhogen, maar omdat die elk moment kan bezwijken, wil je dat liever niet door mensen laten doen. In plaats daarvan zou je een aantal robotvoertuigen in kunnen zetten die de dijk verstevigen met zandzakken. Dat is niet zo’n ingewikkelde constructie, dus dat kan met een betrekkelijk eenvoudig algoritme.’

Op de lange termijn kunnen de robots worden ingezet voor het bouwen van om constructies op onherbergzame plekken, zoals onder water of op Mars. De kans is niet denkbeeldig dat ze op die verre planeet andere kruipende en vliegende robots tegenkomen. De Technische Universiteit in Delft beschikt namelijk sinds kort over een CyberZoo, waar een menagerie aan autonome robots wordt gehouden, die – geheel in de poldertraditie – met elkaar samenwerken om uiteenlopende taken te vervullen. Ook de Delftse onderzoekers hanteren daarbij het adagium dat vele domme kleintjes samen slimmer zijn dan een grote robot.

 

Cyberzoo

Het eerste wat opvalt bij binnenkomst in de Delftse hal is een kooi, een net eigenlijk, van tien bij tien meter en ook nog eens tien meter hoog. In het midden op een stuk zeil ligt grof zand, gemengd met stenen en een constructie gemaakt van blokken hout uit de speelgoedkist. Uit diezelfde speelgoedkist komt waarschijnlijk een rode bal die ergens in het zand ligt.

In de zandbak kruipen verschillende robots rond, de zogeheten Zebro’s. Ze hebben wel wat weg van de termietrobots van Harvard, alleen zijn ze groter en hebben ze zes in plaats van vier whegs (wielpoten). In de ruimte erboven vliegen verschillende DelFly Explorers rond, vliegende robots ter grootte van een mus met voldoende sensoren en slimheid aan boord om obstakels te vermijden en op een bepaalde hoogte te blijven vliegen.

Op een gegeven moment daalt een van de DelFlys tot vlakbij de rode bal die in het zand ligt. Onzichtbaar voor ons geeft hij een signaal af, een radioferomoon, zoals onderzoeksleider Chris Verhoeven het noemt, waarop een van de kruipende robots zich in beweging zet. Met draaiende whegs baant hij zich een weg door het zand naar de bal en kruipt er over heen, zodat de bal met klittenband aan zijn achterlijf blijft kleven. Vervolgens loopt hij terug naar de rand van de zandbak, waar een van de onderzoekers de bal eraf haalt.

 

Redundantie

De samenwerking tussen autonome robots van verschillende pluimage biedt volgens Chris Verhoeven, legio perspectieven. In een interview in Delta, het blad van de TU Delft, vergelijkt hij ze met een bijenzwerm, die in staat is om in een gebied van 500 vierkante kilometer alle bloemen te lokaliseren en vervolgens nectar te verzamelen. Op vergelijkbare wijze kunnen vliegende DelFly robots vanuit de lucht lokaliseren waar bijvoorbeeld overlevenden van een ramp zich bevinden. Na verzending van een radioferomoon kunnen de Zebro’s naar de plek des onheils rijden om hulpgoederen af te leveren.

Het voordeel van een zwerm is ook dat deze blijft functioneren, ook als een of meer robots uitvallen. Als voorbeeld noemt Maneesh Kumar Verma, systeemingenieur van de Delftse Zebro’s, de Marsrover Curiosity. Een mobiel platform dat verschillende instrumenten draagt, variërend van camera’s en spectrometers tot een apparaat om rots te vermalen en een laboratorium om bodemmonsters te onderzoeken. Maneesh: ‘Als de Marsrover uitvalt, is de missie mislukt. Als er van een zwerm robots een of enkele uitvallen, kan de missie nog steeds doorgaan.’

 

Groepsintelligentie

Volgens Maneesh is het niet zo moeilijk om een groep robots als een zwerm te laten functioneren. Je hoeft ze alleen maar zo te programmeren dat ze een minimale en maximale afstand tot hun naaste buren aanhouden. Een minimale afstand om botsingen te voorkomen – 20 centimeter bijvoorbeeld – en een maximale om te zorgen dat de groep bij elkaar blijft. Dat kan vrij eenvoudig worden gerealiseerd met iBeacon, een systeem waarmee je jouw positie ten opzichte van anderen kunt vaststellen. Met nog een paar andere basisregels, zoals “blijf in leven”, waardoor de robots zich tijdig opladen, blijft de groep als groep functioneren.

Termieten, bijen, mieren, het zijn allemaal levensvormen die in groepsverband emergentie vertonen. Dat wil zeggen dat je de eigenschappen van de zwerm niet kunt afleiden uit het gedrag van een van de individuen. Aan de hand van het gedrag van een termiet kun je niet afleiden dat ze in groepsverband in staat zijn om zulke complexe constructies te bouwen. Ook bij mensen komt emergent gedrag voor. Voetbalsupporters bijvoorbeeld zijn ongetwijfeld alleraardigste en verantwoordelijke individuen, maar als groep kunnen ze vernielzuchtig en zelfs gewelddadig gedrag ten toon spreiden.

De experimenten met de termietrobots van Harvard en de vliegende en kruipende machientjes in de Delftse CyberZoo laten zien dat zwermen eenvoudige robots ook dergelijk emergent gedrag vertonen. Door te experimenteren met de gedragsregels en verkeersregels zouden ze dus steeds complexere taken kunnen uitvoeren.

De vraag is of en zo ja wanneer die complexiteit zodanig groot is dat zwermen robots ook intelligent gedrag gaan vertonen, dat de zwerm zelfstandig beslissingen neemt, die misschien wel tegen ons mensen gericht zijn, of in ieder geval niet in ons belang. Dat ze bijvoorbeeld, net als termieten, onze huizen afbreken om voldoende bouwmateriaal te hebben voor hun eigen constructies. Of onze mobiele telefoons en andere gadgets leegzuigen op zoek naar energie.

Toegegeven die kans is klein, zeker als je naar het gestuntel van de huidige generatie robots kijkt. Maar je weet maar nooit….