Ook in de wereld van de kunstmatige intelligentie (AI) is er een Oscar te verdienen voor de beste film. De Association for the Advancement of Artificial Intelligence (AAAI) beloont in haar Video Competition de korte video die het best een wetenschappelijk AI-project leuk in beeld brengt. Dit jaar ging de prijs naar Swarmanoid, een Europees project vastgelegd door Marco Dorigo van de Vrije Universiteit van Brussel. De ‘zwerm’ robots (vandaar de naam Swarmanoid) bestaat uit drie typen apparaten met elk hun eigen taak. Een goede samenwerking zorgt ervoor dat ze hun doel bereiken. In het winnende filmpje verenigen ze hun krachten om een boek uit de kast te pakken (zie hieronder).
Kleurige lichtjes
Zoals je in het filmpje ziet, geven de robots licht. Dat is niet gewoon voor het mooi, maar voor de communicatie. De bots versturen informatie naar elkaar via lichtsignalen. De rings met leds die elke robot heeft, kan 256 kleuren aannemen. Hiermee kunnen ze boodschappen coderen en doorgeven.
Op elkaar aangewezen
Het oorspronkelijke systeem bestond uit twee typen robots: de vliegende eye-bots en de rollende foot-bots. De eye-bots verkennen de omgeving. Ze hebben daarvoor een camera aan boord en sensoren om hun locatie te bepalen. Ze vliegen niet voortdurend rond: op een bepaald moment bevestigen ze zich aan het plafond door middel van een magneet (het plafond moet dus ferromagnetisch zijn). De bots verdelen zich zo over de ruimte, dat de hele omgeving afgedekt is. Het vastplakken — in plaats van rondcirkelen — spaart een hoop energie, ook al heb je nu misschien meer bots nodig.
Wanneer de eye-bots eenmaal op hun plaats zitten, is het de beurt aan de foot-bots. De apparaten verplaatsen zich met wieltjes over de grond. Het is hun taak om de doellocatie te bereiken, maar zij hebben hiervoor geen route-informatie. Daar moeten de eye-bots voor zorgen: die houden alles in de gaten en sturen de foot-bots de goede kant op.
Links staat de foot-bot. De opstaande doorzichtige koker bevat een camera om de eye-bots te kunnen waarnemen. Rechts zie je het binnenwerk van de eye-bot met bovenin de grijper waarmee het zich bevestigd aan het plafond. Afbeelding: © Swarmanoid project
Het samenspel tussen de eye-bots en foot-bots noemen de onderzoekers mutual adaptation, ‘wederzijdse aanpassing’. Enerzijds voeren de foot-bots instructies van de eye-bots uit, anderzijds passen de eye-bots hun instructies aan aan wat de foot-bots doen. Als een robot op de grond bijvoorbeeld de verkeerde kant op dreigt te rijden, zullen de vliegende bots de route-informatie daarop aanpassen.
Via via
Het communiceren via een medium (de broodkruimeltjes bij Klein Duimpje, de feromonen bij mieren en de eye-bots bij Swarmanoid) heet stigmergie. Omdat de samenwerking bij Swarmanoid gebaseerd is op stigmergie, noemen de onderzoekers hun aanpak cooperative stigmergic navigation.
Klein Duimpje en mieren
In feite fungeren de eye-bots als ‘broodkruimels’ voor de bots op de grond. De foot-bots slaan hun ervaringen op in de eye-bots (als route-informatie), zodat een andere foot-bot die kennis weer kan benutten. Net zoals Klein Duimpje route-informatie achterlaat met broodkruimeltjes.
Of net als mieren, want ook zij geven informatie aan elkaar door via het achterlaten van een spoor. In eerste instantie gaat elke mier willekeurig op zoek naar voedsel, maar als hij iets lekkers vindt, laat hij op de terugweg een geurstof achter op het pad. In het vervolg hoeven mieren dan slechts het pad te kiezen dat het sterkst ruikt om bij goed voedsel te komen.
De rol van het geurspoor wordt duidelijk in deze illustratie. In situatie 1 is er niets aan de hand: de mieren lopen rechtstreeks over het spoor van A naar B. Er ontstaat een probleem wanneer er in de tweede situatie een obstakel het spoort blokkeert. De mieren zullen dan willekeurig links of rechts kiezen, maar omdat de rechterroute korter is, zal deze vaker gebruikt worden (mieren gaan altijd over hetzelfde pad terug, dus de mieren over rechts zijn snel heen en weer). Doordat het rechterpad vaker gebruikt wordt, zal het geurspoor daar ook sterker zijn. Hierdoor kiezen steeds meer mieren voor dit pad en zo ontstaat uiteindelijk situatie 3. Afbeelding: © Zhong et al., 2008
Het mierenprincipe is populair in de kunstmatige intelligentie omdat het een goede methode is voor het optimaliseren van een route. In een draadloos sensornetwerk kunnen bijvoorbeeld ‘kunstmatige mieren’ worden ingezet om gunstige routes te bepalen. Dat zijn dan lege pakketjes die puur heen en weer gestuurd worden om route-informatie te verzamelen en op te slaan in sensor nodes.
Klimmen met één hand
Met behulp van de eye-bots vinden de foot-bots dus hun weg, maar daarmee is het boek nog niet uit de kast. Om objecten te kunnen pakken, is een derde type robot nodig: de hand-bot. Dit apparaat heeft twee mechanische armen en een touw, waardoor de robot niet alleen kan grijpen, maar ook klimmen. Wanneer de bot omhoog wil, lanceert het het touw naar het plafond, waar het blijft zitten door (wederom) een magneet. Nu heeft de robot de armen vrij om zich te verplaatsen en tegelijk iets te pakken.
Hoewel de hand-bot multifunctioneel is, kan het ook iets belangrijks níet: verplaatsen over de grond. De foot-bot is daarom zo gemaakt dat het zich kan koppelen aan een hand-bot.
De hand-bot in het midden is gekoppeld aan drie foot-bots. Zij zullen de grijp-robot naar het object vervoeren. Afbeelding: © Swarmanoid project
Wanneer bij de uitvoering van een taak blijkt dat een hand-bot nodig is, voegen foot-bots zich bij een hand-bot, zetten ze zich vast en brengen ze de hand-bot naar de bestemming. Deze aanpak heet ook wel self-assembly: de robots bepalen zelf wanneer en waaraan ze zich koppelen.
Van boek-pakker tot reddingswerker
Robotsystemen zijn er inmiddels in alle soorten en maten. Toch heeft Swarmanoid een aantal bijzondere eigenschappen. Zo is de combinatie van klimmen en grijpen vrij uniek. De bestaande robots die daartoe in staat zijn, zijn relatief groot en die kunnen niet zomaar een boekenkast in. Daarnaast is Swarmanoid een van de weinige systemen dat zwermen van verschillende typen robots met elkaar laat samenwerken.
Swarmanoid vormt wellicht de basis voor toekomstige robotsystemen voor reddingsoperaties. De eye-bots kunnen zelfstandig een onbekende omgeving in kaart brengen, zoals een huis dat in brand staat. Vervolgens kunnen foot-bots samen met hand-bots brandblussers naar binnen rijden en bedienen. Het filmpje heeft laten zien dat zoiets ooit mogelijk moet zijn.
Bronnen
- Ducatelleet al., ‘Cooperative Self-Organization in a Heterogeneous Swarm Robotic System’ (pdf-bestand), In Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO), 2010
- Ducatelle et al., [‘Cooperative Stigmergic Navigation in a Heterogeneous Robotic Swarm’ (pdf-bestand), In Proceedings of the 11th International Conference on Simulation of Adaptive Behavior (SAB), 2010
- Zhong et al., ‘An Ant Colony Optimization Competition Routing Algorithm for WSN’, 4th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, pp.1-4, 12-14 Oct. 2008. doi: 10.1109/WiCom.2008.932
Zie ook:
- De website van het project (Engelstalig)
- ‘Smart Dust en de onzichtbare computer’ (Kennislink, 2010)
- ‘Robotmieren koloniseren Mars’ (Kennislink, 2008)
Lees meer over robotica op Kennislink:
