Zwermrobotica: hoe honderden simpele robots samen slim gedrag vertonen
Een enkele mier is niet bijzonder slim. Ze volgt een paar simpele regels: loop rond, laat een geurspoor achter, volg het sterkste geurspoor van andere mieren. Toch vindt een mierenkolonie op die manier al snel de kortste route naar een voedselbron, zonder dat er een baasmier is die de kaart overziet en bevelen geeft. Zwermrobotica probeert datzelfde trucje na te bootsen met machines: in plaats van één grote, complexe robot bouw je heel veel kleine, simpele robots die door onderling contact samen iets slims voor elkaar krijgen.
Een bekend voorbeeld illustreert het principe goed. Onderzoekers van Harvard University lieten in 2014 duizend munt-grote robotjes, de zogeheten Kilobots, samen een ster- of letter-vorm aannemen. Geen enkel robotje kende de uiteindelijke vorm; elk robotje wist alleen waar zijn directe buren stonden en volgde een simpel regeltje om zich daarop aan te passen. Toch ontstond, robotje voor robotje, de gewenste vorm. Dat is de kern van zwermrobotica: complex, doelgericht gedrag dat vanzelf ontstaat uit veel eenvoudige onderdelen, zonder centrale sturing.
Wat is het precies?
Zwermrobotica is een tak van de robotica die zich richt op groepen (zwermen) van meestal identieke, relatief simpele robots die samen een taak uitvoeren. Het draait om een paar vaste ingrediënten.
Ten eerste is er geen centrale computer die de hele zwerm aanstuurt. Dat heet decentralisatie: elke robot neemt op basis van zijn eigen waarnemingen zelf beslissingen. Er is dus geen commandocentrum dat uitvalt en de hele operatie stillegt.
Ten tweede communiceren robots meestal alleen met hun directe buren, niet met de hele zwerm tegelijk. Dat lijkt op hoe een spreeuw in een zwermende groep alleen let op de paar spreeuwen naast hem, en toch ontstaat er een prachtig bewegend wolkpatroon van duizenden vogels.
Ten derde volgt elke robot simpele gedragsregels: bijvoorbeeld "houd twee centimeter afstand tot je buren" of "beweeg richting het sterkste signaal". Uit de optelsom van al die kleine regels ontstaat groepsgedrag dat veel complexer oogt dan de regels zelf. Dat verschijnsel heet emergentie: het geheel gedraagt zich anders, en vaak slimmer, dan je uit de afzonderlijke delen zou verwachten.
Sommige zwermen communiceren zelfs helemaal niet rechtstreeks met elkaar, maar reageren op sporen die andere robots achterlaten in de omgeving, zoals mieren met hun geurspoor. Dat principe heet stigmergie: indirecte coördinatie via veranderingen in de gedeelde omgeving in plaats van via directe berichten.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van zwermrobotica is robuustheid. Valt in een zwerm van honderd robots er één uit, dan gaat de taak gewoon door met de overige negenennegentig. Bij één grote, ingewikkelde robot betekent een storing vaak dat de hele missie mislukt.
Daarnaast is er de belofte van schaalbaarheid: je kunt in principe extra robots toevoegen om een groter gebied te bestrijken of een klus sneller te klaren, zonder de software fundamenteel te herschrijven. En omdat individuele zwermrobots simpel en dus relatief goedkoop kunnen zijn, hoopt men op kostenvoordelen ten opzichte van één dure, hoogwaardige robot.
Onderzoekers zien vooral kansen in situaties die voor mensen of één enkele robot lastig of gevaarlijk zijn: het doorzoeken van een ingestort gebouw na een aardbeving, het monitoren van een groot landbouwperceel, of verkenning in gebieden zonder goede kaarten, zoals een grot of een ander hemellichaam. Een zwerm kan zulke gebieden parallel afzoeken en blijft functioneren ook als individuele robots sneuvelen onderweg.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele projecten laten zien hoe divers het veld is.
Kilobots (Harvard University, onder leiding van hoogleraar Radhika Nagpal, gepresenteerd in 2014): duizend goedkope, munt-grote robots die via infraroodsignalen met naburige robotjes communiceren en daarmee gezamenlijk vooraf gedefinieerde vormen kunnen aannemen. Het project liet voor het eerst zien dat je zwermgedrag op grote schaal (duizend eenheden) betaalbaar kon demonstreren.
TERMES (eveneens een Harvard-project, met onder anderen Justin Werfel en Kirstin Petersen): kleine bouwrobotjes geïnspireerd op termieten, die zonder onderlinge communicatie een structuur van blokken kunnen optrekken. Elke robot kijkt alleen naar wat er al gebouwd is en beslist daaruit zijn volgende stap: een schoolvoorbeeld van stigmergie.
Swarmanoid (Europees onderzoeksproject, ongeveer 2006-2010, met onder meer het IRIDIA-lab van de Université Libre de Bruxelles onder leiding van Marco Dorigo): een zwerm van drie soorten robots die elkaar aanvullen, met rondrijdende "foot-bots", klimmende "hand-bots" en vliegende "eye-bots" die samen bijvoorbeeld een voorwerp konden lokaliseren en ophalen.
SAGA (Swarm Robotics for Agricultural Applications, een door de EU gefinancierd project uit de tweede helft van de jaren 2010): onderzoek naar zwermen kleine robots die samen een akker in de gaten houden, onkruid opsporen of gewassen monitoren, als alternatief voor grote, dure landbouwmachines.
Ook buiten de wetenschap duiken zwermtoepassingen op: drone-lichtshows met honderden tot duizenden vliegende drones die synchroon patronen aan de hemel vormen, zoals Intel liet zien met zijn "Shooting Star"-drones bij grote evenementen. Dat is technisch verwant aan zwermrobotica, al is de mate van autonome besluitvorming per drone daarbij vaak beperkter dan in onderzoeksprojecten als Kilobots.
Hoe ver is de techniek?
In het laboratorium is zwermrobotica behoorlijk volwassen: onderzoekers laten al jaren zien dat honderden tot duizenden simpele robots samen vormen kunnen aannemen, structuren kunnen bouwen of gezamenlijk kunnen zoeken naar een object. Dat soort demonstraties, zoals Kilobots en TERMES, gelden als belangrijke mijlpalen omdat ze bewezen dat de theorie ook in fysieke, betaalbare hardware werkt.
Buiten de gecontroleerde laboratoriumomgeving is de techniek echter nog pril. Wind, regen, oneffen terrein, beperkt zicht en storingen in draadloze communicatie maken het lastig om zwermgedrag net zo betrouwbaar te laten werken als in een schone testruimte. Ook is het lastig te garanderen dat emergent gedrag altijd voorspelbaar en veilig blijft: simpele regels kunnen in onverwachte situaties tot onwenselijk collectief gedrag leiden, en dat volledig uitsluiten is een nog niet opgelost onderzoeksprobleem.
De meest zichtbare praktijktoepassing op dit moment zijn drone-zwermen, voor entertainment en in beperkte mate voor verkenning en logistiek, en kleinschalige landbouwproeven zoals SAGA. Grootschalige, volledig autonome zwermen die routinematig buitenshuis nuttig werk verrichten, zijn er nog nauwelijks; de meeste toepassingen zijn nog pilots of demonstraties met tientallen tot enkele honderden eenheden, niet de duizenden die in laboratoriumproeven al zijn gehaald.
Wie werken eraan?
Een aantal instituten geldt als aanjager van het vakgebied. Harvard University, met de onderzoeksgroep van Radhika Nagpal, is verantwoordelijk voor bekende demonstraties als de Kilobots en TERMES. Het IRIDIA-lab van de Université Libre de Bruxelles (ULB) in België, onder leiding van Marco Dorigo, geldt als een van de bakermatten van zwermintelligentie in het algemeen, met werk aan onder meer mierenkolonie-optimalisatie (een wiskundige methode geïnspireerd op mierengedrag) en projecten als Swarmanoid.
Ook het Bristol Robotics Laboratory in het Verenigd Koninkrijk en diverse Europese universiteiten, waaronder Nederlandse instellingen als TU Delft en Wageningen University \& Research, doen onderzoek naar zwermrobots, bijvoorbeeld voor landbouw- en verkenningstoepassingen. De Europese Unie financiert via haar onderzoeksprogramma's (zoals Horizon 2020 en het opvolgende Horizon Europe) meerdere internationale samenwerkingsprojecten op dit gebied, waaronder SAGA.
Buiten de academische wereld werken bedrijven als het Zwitserse Verity aan drone-zwermen voor lichtshows en binnenlogistiek, en zet Intel zijn Shooting Star-drones in voor spectaculaire lucht-shows. Ook defensieorganisaties, met name in de Verenigde Staten, experimenteren met zwermen van goedkope drones voor verkennings- en afleidingstaken, al is daarover minder publiek gedetailleerde informatie beschikbaar dan over civiele onderzoeksprojecten.