Insectoïde robots voor het domme werk

Het Insect Lab van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston oogt als een reptielenhuis: in een grote glazen bak met grind en rotsblokken ligt roerloos een blikken kakkerlak. Genghis, zoals dit zespotige monster is gedoopt, behoort tot een heel leger insectoïde robots die onder leiding van de Australiër Rodney Brooks is gebouwd. De robots gedragen zich als echte insekten: ze slaan op de vlucht voor gevaar en vallen prooien aan, meestal lege blikjes. Zij verrichten deze handelingen op basis van primitieve reflexen.

Anders dan bij de meeste robots, is er geen centraal programma dat ledematen en zintuigen stuurt, maar verschaffen sensoren informatie aan aparte besturingseenheden, die elkaar min of meer beconcurreren. De Australiër spreekt van "intelligentie zonder rede'.

De meeste robots worden zo geprogrammeerd dat zij taken kunnen verrichten die een zekere mate van intelligentie vereisen. Daarom spreekt ook wel van Kunstmatige of Artificiële Intelligentie (AI). Vaak is het nodig om aan het programma zoveel mogelijk kennis mee te geven over de objecten waarmee de robot moet werken. Niet alleen raakt zijn geheugen daardoor snel overbelast; er zit ook vaak weinig consistentie in zijn observaties.

Brooks: "Robots kunnen heel goed taken verrichten zonder de wereld om zich heen te begrijpen. Het dierenrijk geeft eigenlijk al aan dat dat kan. Veel dieren handelen volgens instructies die genetisch zijn vastgelegd; ze zijn slechts in schijn intelligent. Het ogenschijnlijk intelligente gedrag van de mier wordt bepaald door de wisselwerking met zijn omgeving; het zegt niets over zijn interne complexiteit. Zelfs de mens is niet de hele dag bezig met het oplossen van problemen; hij vertrouwt op zijn routine.'

Robotkolonie

Brooks' "Robot Beings' of "Artificial Creatures' werken net als biologische systemen op basis van parallelle processen en een geringe rekenkracht. Toch is het oorspronkelijke motto van het laboratorium - "Fast, Cheap, and Out of Control' - inmiddels ingeruild voor het wat meer genuanceerde "reactieve planning'. Brooks' grootste ambitie is namelijk het ontwikkelen van een robotkolonie die verre planeten zou kunnen verkennen of, dichter bij huis, het gras zou kunnen maaien.

Sceptici menen dat het onderzoek van Brooks weinig met AI te maken heeft. Dat uitgerekend de hoogleraar Marvin Minsky, de vader van de kunstmatige intelligentie, hem in de periferie van AI plaatst, verbaast Brooks in hoge mate: "Als ik Minsky's boek De Menselijke Geest Als Maatschappij lees, heb ik het gevoel dat onze opvattingen niet zo erg uiteenlopen.'

Thomas M. Mitchell, die aan de Carnegie Mellon Universiteit in Pittsburgh (een ander AI-bolwerk) eveneens aan intelligente robots werkt, vindt Brooks experimenten "verleidelijk', maar acht zijn technologie toch meer geschikt voor thermostaten dan voor "echte' robots.

Rodney A. Brooks werd geboren in Aidelaide, Australi"e, studeerde wiskunde aan de Flinders Universiteit van Zuid-Australië en computerwetenschappen aan de Californische Stanford Universiteit. Als Professor of Electrical Engineering and Computer Science geeft hij thans leiding aan het zogeheten "Mobot Lab' van MIT. Tijdens zijn studie raakte Brooks er steeds meer van overtuigd dat het onderzoek naar kunstmatige intelligentie op een dood spoor was beland. Sinds Allen Newell en Herbert Simon in de jaren vijftig de General Problem Solver (GPS) hebben ontwikkeld, is de modus operandi van AI nauwelijks verandert, aldus Brooks.

Regelgeleide systemen als GPS werken volgens de middelen-doel analyse. Een voor de machine bekende aanvangstoestand moet worden omgezet in een eindfase of doeltoestand met behulp van "als...dan-regels' ("Als in toestand 1 knop A of B wordt ingedrukt, dan doe niets'). Het is een lineair proces: ieder tak van de beslissingenboom leidt naar een volgende tak, totdat het hele traject is afgelegd.

De middelen-doel analyse mag dan zeer geschikt zijn voor betrekkelijk triviale manipulaties met simpele objecten, buiten het laboratorium raken de meeste robots al gauw van slag doordat hun omgeving te ingewikkeld is. De explosie van combinaties in de beslissingenboom wordt dan veel te groot. Volgens Brooks hoort Kunstmatige Intelligentie helemaal niet thuis in de wereld zoals wij die kennen.

Alfa Motor

Het alternatief dat Brooks heeft ontwikkeld heet "subsumptie-architectuur'. Waar het om neerkomt is dat organen en zintuigen onafhankelijk van elkaar bestuurd worden. In de robot Genghis is de Alfa Motor verantwoordelijk voor slechts twee bewegingen van de zes poten: voor- en achteruit. De Bèta Motor daarentegen tilt de poten telkens op en zet ze ook weer neer. De motoren zijn verbonden met microchips die AFSMs (Augmented Finite-State Machines) worden genoemd: zij geven informatie over de positie van de ledematen en sensoren door. Als een sensor gevaar "ruikt', kan de hoofdinstructie "lopen' worden verdrongen door "stilstaan'.

Iets intelligenter is de met infraroodsensoren toegeruste robot Herbert. Naast een grijparm beschikt deze robot over een klein lasersysteem waarmee hij zijn omgeving kan verkennen. Hoewel Herbert lege bekertjes moet verzamelen, heeft hij niet geleerd om deze objecten te herkennen. De grijparm begint automatisch te bewegen als de robot voor een object stil komt te staan.

De kleinste robot, Squirt, vangt via kleine microfoons allerlei geluiden op. Squirt heeft een sterke drang om op het geluid af te gaan, maar blijft het liefst in het donker wachten totdat de kust weer veilig is. Een andere robot, Toto, brengt met behulp van sonar en een magnetisch kompas zijn omgeving in kaart, zodat het de weg terug kan vinden. De robot is zo geprogrammeerd dat het een of meerdere omgevingskenmerken herkent, zoals muren, gangen of rommel op de grond. Aan elke omgeving is een ander "verkenningsgedrag' gekoppeld. Toto's broertje Seymour heeft negen lage resolutie-camera's, die de visuele informatie aan de besturingslagen doorgeven. Attila is speciaal voor de verkenning van planeten ontwikkeld. Deze robot heeft honderdvijftig verschillende sensoren en een kruipsnelheid van drie mijl per uur.

Omdat bij expedities Brooks dertig van deze robots wil inzetten, wordt nagegaan hoe de robots zouden kunnen samenwerken zonder informatie aan elkaar uit te hoeven wisselen. Brooks denkt veel te kunnen leren van de wijze waarop mieren en bijen met elkaar communiceren. "Soms is daarbij geen sprake van communicatie, maar van thermale regulatie. Als de bijen elkaar te dicht naderen, stijgt de temperatuur en gaan ze zich anders gedragen. Dergelijke technieken zouden wij ook voor de robots kunnen toepassen. Als je robots de vloer zou willen laten vegen, dan zou je ervoor moeten zorgen dat zij zich verder van elkaar verwijderen.'

Daarbij is het wel van belang dat de robots zich zo flexibel en economisch mogelijk bewegen. Om de bewegingseigenschappen van de robots te verbeteren, werkt Brooks samen met de bioloog Robert J. Full van de Universiteit van Californië in Berkeley. Full heeft zich gespecialiseerd in de energetische en mechanische aspecten van het bewegingsapparaat van dieren. Omdat hij meer wilde weten over de werking van de spieren bij diersoorten, liet hij een tredmolen bouwen die zowel voorwaartse, zijwaartse als opwaartse gewichtsverplaatsingen registreerde. Die bewegingen werden vastgelegd door een hoge snelheids-videocamera, terwijl met behulp van een respirometer de zuurstofopname van de dieren werd gemeten. Op grond van de vertikale en horizontale verplaatsingssnelheden van het lichaamsgewicht kon de verplaatingssnelheid van het massamiddelpunt (het punt waaromheen de massa van het lichaam gelijkelijk verdeeld is) worden berekend.

Vierpotigen

Full stelde vast dat dieren met zes of meer poten geen enkel energetisch voordeel hebben ten opzichte van vierpotigen. Krabben met acht poten en hagedissen met vier poten met hetzelfde lichaamsgewicht hebben dezelfde hoeveelheid energie nodig om een meter vooruit te komen. Wat telt is de kracht waarmee het lichaam moet worden opgetild om de zwaartekracht te overwinnen. De energie wordt niet zozeer gebruikt om het lichaam voort te bewegen, alswel om het lichaam op te tillen.

Sommige dieren blijken ingenieuze methoden te hebben ontwikkeld waardoor hun spieren domweg meer arbeid leveren. Van belang hierbij is de uitwisseling van kinetische en potentiële zwaartekrachtenergie. Kinetische energie wordt door het lichaam zelf voortgebracht, terwijl bij potentiële zwaartekrachtenergie een deel van de bewegingsenergie door de zwaartekracht wordt geleverd. Een bekend voorbeeld van potentiële zwaartekrachtenergie is het slingeruurwerk: hierbij wordt de energie van de energiebron via het gaande werk op het echappement en vandaar op de slinger overgedragen. Omgekeerd draagt het echappement de beweging van de slinger over op het gaande werk. Een soortgelijk effect wordt bereikt door het massamiddelpunt van het lichaam op te tillen en weer te laten vallen.

Vlooien en sprinkhanen slaan potentiële energie op in hun gewrichten en spierpezen. Krabben zijn volgens Full zelfs zeer kiene energiebespaarders: met hun M-vormige lichaam (hoge heupgewrichten en een laaghangend massamiddelpunt) zijn ze in zekere zin een omgekeerde mini-pendule. Zij verplaatsten ("slingeren') het zwaartepunt van het lichaamsgewicht zodanig dat zij zich bij het voortbewegen minder arbeid hoeven te verrichten. Ook bij het hardlopen kan de arbeidsinspanning worden gereduceerd. In mechanisch-kinetisch opzicht staat hardlopen of galopperen gelijk aan het stuiten van een bal of het slingeren van een gewicht aan een veer, waarbij een uitwisseling plaatsvindt tussen de elastische energie in de veer en de kinetische energie van de bewegende massa. Mensen sparen op deze manier meer dan de helft van hun energie uit.

Sommige van deze mechanische principes zouden volgens Full heel goed in robots kunnen worden toegepast. "De bewegingen van de meeste robots zijn weinig efficiënt. Ze schuifelen meer dan ze lopen en dat vergt veel energie.' Een van de robots die volgens Fulls principes zijn gebouwd, is Marc Raiberts kangoeroerobot, die op één poot van de ene plaats naar de andere wipt. De MIT-onderzoeker gebruikt voor dergelijke mobiele robots ook een subsumptie-architectuur, waarbij verschillende mechanismen voor de stabiliteit zorgen. Raibert is er inmiddels zelfs in geslaagd om een vierbenige robot te laten galopperen.

Brooks hoopt dat zijn aanpak zal leiden tot een revolutie die vergelijkbaar is met de uitvinding van de microprocessor. "Als mensen mij vragen waar ik de robots voor wil gebruiken, verwijs ik altijd naar de eerste ENIAC-computer die in 1951 in Pennsylvania werd ontwikkeld. Niemand had toen zelfs maar durven te voorspellen dat we over veertig jaar allemaal met computers zouden werken. Toepassingen dienen zich vanzelf aan. Zelf zou ik graag zien dat minirobots 's nachts het scherm van mijn computer schoonvegen. Natuurlijk kun je daar ook een doekje voor gebruiken, maar waarom zouden we het ons zo moeilijk maken? Jij en ik dragen een horloge, terwijl hier toch overal klokken aan de muren hangen.'