Zebro’s klaar om uit te zwermen

De tafels in het roboticalab op de achttiende verdieping van de TUD-faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica liggen bezaaid met halfgemonteerde robots, printplaatjes en andere onderdelen. Een groep studenten werkt onder leiding van hun inspirator Chris Verhoeven koortsachtig aan de montage van een tiental Zebro’s. Deze robots moeten werkend worden gepresenteerd op de Dutch Design Week in Eindhoven, die de volgende dag van start gaat. Dankzij het nieuwe modulaire ontwerp is de montage grotendeels gestandaardiseerd, maar elke Zebro bestaat nog steeds uit zo’n tweehonderd onderdelen die op de juiste manier moeten worden aangesloten. Er zijn nog maar twee robots klaar.

De Zebro is een compacte robot. Dankzij de zes roterende poten kan hij over ruw terrein bewegen zonder vast te lopen. Alle Zebro’s zijn voorzien van een proximity-sensor. Deze is boven op de robot gemonteerd in de vorm van een heen en weer bewegend hoofdje met twee ogen. De sensor geeft de Zebro informatie over de nabijheid van objecten. Daarnaast worden de robots binnenkort uitgerust met een lokalisatiesensor, waarmee ze hun positie kunnen bepalen ten opzichte van elkaar. Dit is essentiële informatie voor de Zebro, die is ontworpen om in zwermen te functioneren.

Big bang

Edwin Hakkennes, elektronica-architect bij technologie-integrator Technolution in Gouda, ondersteunt het team als technisch expert en projectmanager. Hij vertelt: ‘In zijn eentje kan een Zebro niet zo veel. Dat verandert wanneer het gaat om een zwerm. Zo’n zwerm kunnen we onder meer inzetten bij reddingsoperaties na een aardbeving of een instorting. De robots doorzoeken het puin en wanneer een van hen een slachtoffer vindt, bijvoorbeeld met behulp van een audiosensor, geeft hij dit door aan de anderen. Door op de juiste Zebro’s een lampje te laten branden, kunnen reddingswerkers een lichtspoor volgen om het slachtoffer te vinden. Vandaar de vriendelijke uitstraling van de robots: mensen moeten niet schrikken van de apparaatjes.’

Het ontbreekt het Zebro-team niet aan ambitie. Er zijn concrete plannen om Zebro’s naar de maan te sturen. Ruimteonderzoekers willen graag de radiostraling van de big bang meten. Dit is op aarde vrijwel onmogelijk. De interessante informatie zit in de 100 MHz-band, maar deze wordt gedempt door de dampkring. Wat resteert van de straling wordt overschreeuwd door radiozenders. Op de achterzijde van de maan is de ontvangst veel beter. Daar willen de Delftse robotbouwers een zwerm Zebro’s naartoe brengen. Ze worden uitgerust met antennes om de radiosignalen te kunnen ontvangen. Na aankomst op de maan wandelen de robots naar de juiste plaats, waardoor de zwerm zich verspreidt over een groot oppervlak. Omdat de Zebro’s samenwerken bij het ontvangen van de signalen, ontstaat een grote radiotelescoop. De meetgegevens worden doorgegeven aan een satelliet om de maan, of aan een zender op de rand van de voor- en de achterzijde van de maan. Van daaruit wordt de informatie naar de aarde gezonden.

Vogels en vissen

Voordat de Zebro’s zich gedragen als een zwerm, moet er flink wat werk worden verzet. Er zijn verschillende manieren om zwermgedrag te realiseren. Het gebruik van artificial intelligence (ai) staat in dit vakgebied volop in de belangstelling. Met machine learning is het zeker mogelijk om robots de benodigde intelligentie bij te brengen. Deze methode heeft echter niet de voorkeur van de onderzoekers van het Delftse Robotics Institute. Ai vereist namelijk een lange trainingsperiode van de neurale software en dat trekt een zware wissel op de centrale processor en de accu’s van een robot.

 advertorial 

Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems

5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!

Zwermgedrag is juist heel goed te realiseren met een compacte set simpele instructies. Ter illustratie: om een zwerm robots gezamenlijk in een bepaalde richting te laten bewegen zonder tegen elkaar aan te botsen, zijn maar drie instructies nodig: 1) beweeg in dezelfde richting als je buren, 2) blijf dicht bij je buren en 3) vermijd botsingen met je buren. Deze instructies zijn rechtstreeks aan de natuur ontleend. Ze liggen aan de basis van de complexe en soms indrukwekkende manoeuvres van zwermen vogels en scholen vissen.

Hoewel de instructies eenvoudig en compact zijn, is de implementatie dat niet. Een zwermrobot moet meerdere buren in de gaten houden en voortdurend keuzes maken. Wat is de gezamenlijke richting als alle buren een andere kant uit bewegen? Wanneer is een buur te ver weg? Wanneer komt hij te dichtbij en wordt het tijd om een botsing te vermijden? Wat moet de Zebro doen als de gewenste richting geblokkeerd is?

Technolution is al geruime tijd betrokken bij het Zebro-project. De samenwerking met het Robotics Institute is waardevol voor beide partijen. Hakkennes: ‘We hebben veel ervaring met het ontwikkelen van elektronica. We bieden concrete, praktische ondersteuning aan het team. Voor onszelf is deze omgeving ideaal om nieuwe ideeën en kennis op te doen. Het is heel inspirerend om met deze jonge talenten te werken aan de ontwikkeling van bruikbare zwermalgoritmes.’

Schapencycloon

De kracht van de zwerm wordt goed zichtbaar in het gedrag van mieren. Wanneer een mier een dode hagedis vindt, zal hij proberen deze naar het mierennest te slepen. Een hopeloze onderneming voor één enkele mier. Toch blijft hij het proberen. Andere mieren die voorbijkomen, doen hetzelfde. Ze letten niet op elkaar, maar proberen allemaal om de hagedis te verslepen. Na verloop van tijd zijn er genoeg mieren om het beest in beweging te krijgen en de buit naar het nest te brengen. Deze vorm van zelforganisatie ontstaat vanuit één simpele impuls van de individuele mieren: ‘voedsel moet naar het nest’. De zwerm zorgt dat de klus wordt geklaard, zelfs als sommige mieren de verkeerde kant op trekken of uitgeput raken.

Eenvoudige instructies kunnen ook nadelig uitpakken. Een schaap in paniek rent automatisch achter andere schapen aan. Op internet zijn diverse filmpjes te vinden van schapen die schrikken van een auto en vervolgens achter elkaar in een cirkel om de auto heen rennen. Zo’n ‘schapencycloon’ wordt in feite veroorzaakt door een zwermalgoritme (‘volg de andere schapen’) dat in een lockup terechtkomt.

Het bedenken van de juiste zwerminstructies en het voorspellen en voorkomen van ongewenst zwermgedrag vraagt veel denkwerk. Nu serieproductie van de Zebro’s mogelijk is, is de ontwikkeling en implementatie van zwermgedrag dan ook de volgende grote uitdaging voor het Zebro-team. Uiteindelijk moeten zwermen Zebro’s autonoom taken kunnen uitvoeren. De eerste stappen zijn gezet. Een van de roboticastudenten is onlangs afgestudeerd op een zwermsimulatie waarmee de haalbaarheid van een Zebro-zwerm werd aangetoond. Kort daarna studeerde een ander af op de ontwikkeling van een communicatie- en lokalisatiesensor voor de Zebro’s. Hiermee kunnen de robots hun positie, snelheid en bewegingsrichting aan elkaar communiceren. Hakkennes: ‘Binnenkort gaan we tien Zebro’s voorzien van zo’n sensor en programmeren met zwerminstructies. Dat wordt de eerste Zebro-zwerm.’