Creatief met kubussen

Zelfreplicerende machines die bestaan uit vier identieke kubussen vervaardigen in een mum van tijd een kopie van zichzelf.

EEN KRONKELENDE blokkenrups, gebouwd door Amerikaanse robot-ingenieurs, maakt in een dikke minuut een perfecte kopie van zichzelf. Hod Lipson en zijn collega's van de Cornell Universiteit in Ithaca (New York) vergelijken hun zelfreproducerende machine met het leven zelf (Nature, 12 mei).

Die vergelijking is wat overdreven, maar het filmpje dat bij de publicatie hoort, is zeker spectaculair. Het begint allemaal met een torentje van vier identieke kubussen: de rechtopstaande blokkenrups. Het torentje kan buigen langs de raakvlakken van de blokken en langs een diagonaal vlak, dwars dóór de blokken. Aan- en uitschakelende elektromagneten in de kubussen zorgen ervoor dat verbindingen tussen de kubussen ontstaan en weer breken.

De rups buigt zich voorover. Hij zet zijn bovenste kubus neer en pakt een nieuwe die aan de zijkant op een plankje is klaargezet (dit is niet te zien op de foto's). Stap voor stap ontstaat ernaast een nieuw stapeltje: een kopie van de rups. De oorspronkelijke rups is te klein om zijn kloon vier blokkenhoog na te bouwen. Gelukkig kan ook de nieuwe blokkenrups zich voorover buigen zodat de laatste kubus geplaatst kan worden.

Dit alles is mogelijk dankzij een klein besturingssysteem in elk van de kubussen (10x10x10 cm). Dat zorgt ervoor dat de beweging van de kubus afhankelijk is van zijn plaats en van de contacten van de elektromagneten. ``De bewegingen zijn vantevoren geprogrammeerd'', legt Lipson uit in een telefonische toelichting op het korte Nature-artikel. ``Denk aan opdrachten als: wanneer je een kubus waarneemt aan de rechterkant en er staat er eentje bovenop je, draai dan 120 graden.'' Toen Lipson eenmaal bedacht had dat hij de kubussen met deze simpele opdrachten complexe taken kon laten verrichten, was het bouwen ervan ``niet echt moeilijk'', zegt hij ruimhartig. ``Iedereen zou het kunnen.'' Robotexpert Martijn Wisse (TU Delft) spreekt niettemin van ``een bijzonder resultaat''. Wisse publiceerde eerder dit jaar in Science over een tweebenige robot die loopt als een mens.

De blokkenrups is een modulaire robot, opgebouwd uit identieke blokken. Maar de vraag is: betreft het hier ook werkelijk een zelfstandig replicerend systeem? De rups bouwt weliswaar zichzelf na, maar gebruikt daarvoor wel bloksegmenten, ingewikkelde machientjes die klaarstaan op blokjes aan weerskanten. Lipson spreekt van `voederplaatsen'.

In de Nature-publicatie is hij zijn critici voor. Hij betoogt dat het niet zinvol is om de kwestie zwart-wit te benaderen: alsof een systeem zelfreplicerend is of niet. Volgens hem is er sprake van een continuüm: de mate van zelfreplicatie, stelt Lipson, is afhankelijk van de hoeveelheid informatie die daadwerkelijk wordt gekopieerd. Volgens deze definitie staat een machine die zichzelf samenstelt uit ruwe grondstoffen hoger op de zelfreplicatie-ladder dan een robot die zichzelf nabouwt uit onderdelen die op zichzelf al complex zijn. ``Wij hebben als onderzoekers het meeste werk voor onze rekening genomen'', zegt Lipson.

Wisse van de TU Delft vindt de vraag of sprake is van een zelfreplicerend systeem niet al te interessant: ``Je zou je kunnen afvragen of de mens een zelfreplicerend systeem is'', zegt hij. ``Die heeft ook een enorme infrastructuur nodig en allerlei grondstoffen. Dan moet de omgeving nog in orde zijn, denk aan de temperatuur. Het gaat om de toepassingen.''

In 1980 al opperde een Nasa-team onder leiding van de Amerikaanse fysicus Robert Freitas het idee van een fabriek die kopieën van zichzelf zou maken met grondstoffen die op de maan te vinden zijn. Elke zich `voortplantende' machine zou op zijn beurt replicerende machines maken, een exponentiële en dus snelle methode om een grote lege satelliet te koloniseren. Pure science fiction? Lipson gelooft van niet. Hij meent dat zelfreplicerende modulaire robots een rol zouden kunnen vertolken in Bush' plannen voor een permanente basis op de maan, ook al moet er nog veel gebeuren. ``We hebben nu een systeem dat werkt met vier kubussen. Met duizenden of tienduizenden kubussen wordt alles veel ingewikkelder.''

Een stap dichter bij huis zijn robots die zichzelf kunnen repareren. Behalve zichzelf kopiëren kan de blokkenrups niets, erkent Lipson, maar het is best mogelijk om hem uit te rusten met een grijper, een camera of een kleine laadruimte. Een robot op Mars of de maan zou reservemodules kunnen meenemen en een segment vervangen als dat nodig mocht zijn.

Wisse verwacht veel van de zelfreplicerende robot. ``Nu al maken fabrieken waarin robots worden gebouwd gebruik van robotarmen. Dat is een stap in de richting, ook al bouwen de robotarmen nog niet zelf de fabrieken waarin ze worden gemaakt.'' Wel betwijfelt Wisse of de zelfreplicerende robot van de toekomst uit identieke modulaire blokken moet bestaan. ``Ik geloof meer in specialistische robots die in onderlinge samenwerking verschillende kopieën vervaardigen.''

Vijf jaar geleden schreef Lipson een computerprogramma dat uit losse bouwstenen zelfstandig bewegende robots maakt. Door vervolgens via de computer de beste modellen te kiezen paste de Amerikaanse wetenschapper een vorm van selectie toe die leidde tot evolutie van de robots. In de toekomst hoopt Lipson ook zijn modulaire blokkenbots te laten evolueren – zonder tussenkomst van de computer.

Op www.nrc.nl is het filmpje van de blokkenrups te zien.