Social animals are the inspiration for robot swarms

Van zwermen vogels tot vis scholen in de zee, of torenhoge termietenheuvels, veel sociale groepen in de natuur leven samen om te overleven en te gedijen. Dit coöperatieve gedrag kan door ingenieurs worden gebruikt als "bio-inspiratie" om praktische menselijke problemen op te lossen, en door computerwetenschappers die zwermintelligentie bestuderen.

“Zwermrobotica” kwam op gang in de vroege jaren 2000, een vroeg voorbeeld hiervan was de “s-bot” (kort voor swarm-bot). Dit is een volledig autonoom robotje dat basis taken kan uitvoeren, waaronder navigatie en het vastgrijpen van objecten, en dat zichzelf kan samenstellen tot kettingen om kloven over te steken of zware lasten te trekken. Recentelijker zijn “TERMES”-robots ontwikkeld als een concept in de bouw, en het “CoCoRo”-project heeft een onderwaterrobotzwerm ontwikkeld die functioneert als een school vissen die informatie uitwisselt om het milieu te monitoren. Tot nu toe hebben we pas net begonnen de enorme mogelijkheden te verkennen die dierlijke collectieven en hun gedrag kunnen bieden als inspiratie voor het ontwerp van robotzwermen.

Robots die in grote aantallen kunnen samenwerken, zouden dingen kunnen bereiken die moeilijk of zelfs onmogelijk zijn voor een enkele entiteit. Na een aardbeving bijvoorbeeld, zou een zwerm zoek- en reddingsrobots snel meerdere ingestorte gebouwen kunnen verkennen op zoek naar tekenen van leven. Bedreigd door een grote bosbrand, zou een zwerm drones nooddiensten kunnen helpen bij het volgen en voorspellen van de verspreiding van het vuur. Of een zwerm drijvende robots (“Row-bots”) zou zich kunnen voeden met oceaanvuilnisplekken, aangedreven door plastic-etende bacteriën.

Bio-inspiratie in zwermrobotica begint meestal met sociale insecten – mieren, bijen en termieten – omdat leden van de kolonie sterk verwant zijn, wat indrukwekkende samenwerking bevordert. Drie verdere kenmerken spreken onderzoekers aan: robuustheid, omdat individuen verloren kunnen gaan zonder de prestaties te beïnvloeden; flexibiliteit, omdat werkers van sociale insecten kunnen reageren op veranderende werkbehoeften; en schaalbaarheid, omdat de gedecentraliseerde organisatie van een kolonie houdbaar is met 100 werkers of 100.000. Deze kenmerken kunnen vooral nuttig zijn voor taken zoals milieumonitoring, waarvoor dekking van enorme, gevarieerde en soms gevaarlijke gebieden nodig is.

Naast sociale insecten bieden andere soorten en gedragsverschijnselen in het dierenrijk inspiratie aan ingenieurs. Een groeiend onderzoeksgebied binnen de biologie is dat van dierculturen, waarbij dieren sociale leerprocessen gebruiken om gedragingen aan te leren die ze waarschijnlijk niet zelf zouden bedenken. Zo kunnen walvissen en dolfijnen bijvoorbeeld kenmerkende foerageermethoden hebben die van generatie op generatie worden doorgegeven. Dit omvat vormen van gereedschapsgebruik – er is waargenomen dat dolfijnen stukken van mariene sponzen afbreken om hun snuiten te beschermen terwijl ze rondwroeten naar vis, zoals een persoon een handschoen over een hand zou doen.

Vormen van sociaal leren en kunstmatige robotculturen, mogelijk met behulp van vormen van kunstmatige intelligentie, zouden zeer krachtig kunnen zijn in het aanpassen van robots aan hun omgeving in de loop van de tijd. Bijvoorbeeld, assistiverobots voor thuiszorg zouden zich in de loop van de tijd kunnen aanpassen aan menselijke gedragsverschillen in verschillende gemeenschappen en landen.

Robot- (of dier)culturen zijn echter afhankelijk van leervermogens die kostbaar zijn om te ontwikkelen, en vereisen een groter brein – of, in het geval van robots, een geavanceerdere computer. Maar de waarde van de "zwerm"-benadering is het inzetten van robots die eenvoudig, goedkoop en wegwerpsbaar zijn. Zwermrobotica benut de realiteit van emergentie (“meer is anders”) om sociale complexiteit te creëren uit individuele eenvoud. Een fundamentelere vorm van "leren" over de omgeving wordt in de natuur waargenomen – in gevoelige ontwikkelingsprocessen – waarvoor geen groot brein nodig is.

Sommige dieren kunnen hun gedragstype veranderen, of zelfs verschillende vormen, gedaanten of interne functies ontwikkelen, binnen dezelfde soort, ondanks dat ze dezelfde initiële “programmering” hebben. Dit staat bekend als “fenotypische plasticiteit” – waarbij de genen van een organisme verschillende waarneembare resultaten produceren afhankelijk van omgevingsomstandigheden. Dergelijke flexibiliteit is te zien bij de sociale insecten, maar soms nog dramatischer bij andere dieren.

De meeste spinnen zijn uitgesproken solitair, maar bij ongeveer 20 van de 45.000 spinnensoorten leven individuen in een gedeeld nest en vangen voedsel op een gedeeld web. Deze sociale spinnen profiteren van een mengeling van "persoonlijkheidstypen" in hun groep, bijvoorbeeld moedige en verlegen.

Mijn onderzoek identificeerde een flexibiliteit in gedrag waarbij verlegen spinnen een rol zouden overnemen die was vrijgekomen door afwezige, moedige nestgenoten. Dit is noodzakelijk omdat de spinnenkolonie een balans nodig heeft van moedige individuen om collectieve predatie aan te moedigen, en verlegenere exemplaren om zich te richten op nestonderhoud en ouderlijke zorg. Robots zouden geprogrammeerd kunnen worden met aanpasbaar risicogedrag, gevoelig voor de groepssamenstelling, waarbij moedigere robots zich in gevaarlijke omgevingen begeven terwijl verlegenere robots weten zich terug te trekken. Dit zou zeer nuttig kunnen zijn bij het in kaart brengen van een rampgebied zoals Fukushima, inclusief de gevaarlijkste delen ervan, terwijl wordt voorkomen dat te veel robots in de zwerm tegelijk beschadigd raken.

Rietpadden werden in de jaren 1930 in Australië geïntroduceerd als plaagbestrijding, en zijn sindsdien zelf een invasieve soort geworden. In nieuwe gebieden blijken rietpadden enigszins sociaal te zijn. Een reden voor hun toename in aantal is dat ze zich kunnen aanpassen aan een groot temperatuurbereik, een vorm van fysiologische plasticiteit. Zwermen robots met de mogelijkheid om hun energieverbruikmodus te wisselen, afhankelijk van omgevingsomstandigheden zoals omgevingstemperatuur, zouden aanzienlijk duurzamer kunnen zijn als we willen dat ze op de lange termijn autonoom functioneren. Als we bijvoorbeeld robots willen sturen om Mars in kaart te brengen, dan zullen ze moeten kunnen omgaan met temperaturen die kunnen schommelen tussen -150°C aan de polen en 20°C aan de evenaar.

Naast gedrags- en fysiologische plasticiteit vertonen sommige organismen morfologische (vorm)plasticiteit. Bijvoorbeeld, sommige bacteriën veranderen hun vorm als reactie op stress, worden langwerpig en daardoor beter bestand tegen het "opgegeten" worden door andere organismen. Als zwermen robots op een modulaire manier kunnen samenvoegen en zich (opnieuw) kunnen assembleren tot meer geschikte structuren, kan dit zeer nuttig zijn in onvoorspelbare omgevingen. Bijvoorbeeld, groepen robots zouden zich kunnen samenvoegen voor veiligheid wanneer het weer een uitdagende wending neemt.

Of het nu gaat om de "culturen" die ontwikkeld worden door diergroepen die afhankelijk zijn van leervermogen, of het fundamentelere vermogen om "persoonlijkheid", interne functie of vorm te veranderen, zwermrobotica heeft nog volop potentieel als het gaat om inspiratie halen uit de natuur. We zouden zelfs gedragingen van verschillende soorten kunnen combineren om onze eigen robot-"hybriden" te creëren. De mensheid staat voor uitdagingen variërend van klimaatverandering die zeestromen beïnvloedt, tot een groeiende behoefte aan voedselproductie, tot ruimteverkenning – en zwermrobotica kan een doorslaggevende rol spelen mits de juiste bio-inspiratie.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het oorspronkelijke artikel.