Een zwerm op elk bureaublad: robotexperts leren van het publiek

"Wat we leren van de games en onze laboratoriumexperimenten is direct van toepassing op uitdagingen in de echte wereld", concludeert MSRL– onderzoeker Aaron Becker. "Als een dokter bijvoorbeeld zou kunnen beschikken over een zwerm van enkele duizenden microscopische robots die elk een klein vrachtje kankerbestrijdende medicijnen zouden bevatten, dan zou het wellicht mogelijk zijn om ze met zijn allen een tumor te laten aanvallen. Ze zouden dan misschien kunnen worden bestuurd met magnetische signalen uit een MRI-apparaat."

Eenvoudige instructies

In de games, die beschikbaar zijn op http://www.swarmcontrol.net/, verplaatsen de spelers groepen robots door doolhoven en rond obstakels, met behulp van eenvoudige instructies. Soms is het de bedoeling om een groter object naar een bepaalde positie te duwen. Ook kan de opdracht zijn om de hele zwerm naar een doel te bewegen, of om een bepaalde vorm aan te nemen. Telkens als een spel is gespeeld, verzamelt de website informatie over de manier waarop de opdracht werd uitgevoerd. De verzamelde data worden gebruikt om nieuwe besturingsalgoritmen voor robotzwermen te ontwikkelen.

"Met de gegevens uit de spelletjes kunnen we beter begrijpen hoe we systemen met een grote populatie aan robots kunnen inzetten om gecoördineerde, complexe taken uit te voeren" stelt laboratoriumdirecteur James McLurkin, assistent-professor computerwetenschappen op Rice.

Joystick

Om het complexe gedrag te demonstreren, dat kan worden verkregen met simpele commando’s, maakte Becker video-opnamen van een experiment waarin hij een zwerm willekeurig verspreide robots een complexe vorm liet aannemen: de hoofdletter R. Om de robots te besturen gebruikte hij een eenvoudige controller uit de jaren ’80: een videogame-joystick met één knop, die maar twee commando’s kon afgeven, ‘roteer’ en ‘voorwaarts’. "De robots zijn allemaal verbonden met dezelfde joystick", zegt Becker, "dus elke robot ontvangt precies dezelfde commando’s".

R-one

Voor de experimenten werd gebruik gemaakt van de r-one, een goedkoop maar verfijnd multi-robotsysteem dat McLurkin in 2009 ontwierp. Elke schijfvormige r-one heeft een radio, een motor, twee wielen, tientallen sensoren en onboard elektronica. R-ones zijn zo’n tien maal goedkoper dan de voorheen beschikbare zwermrobots voor wetenschappelijke doeleinden.

In zijn gefilmde experiment dirigeerde de besturingsalgoritme elke r-one in de zwerm naar een unieke, voorgeprogrammeerde eindpositie. De algoritme maakte daarvoor gebruik van kleine verschillen in de responsie van elke robot op de twee eenvoudige commando’s. In een computersimulatie liet Becker ook zien dat met een zwerm van 120 robots met dezelfde techniek het woord Rice kon worden gespeld.

Rotatieruis

"De controller geeft alle robots opdracht om te roteren en voordat het commando ‘voorwaarts’ wordt gegeven, registreert de controller de locatie en oriëntatie van elk lid van de zwerm met een overhead-camera", aldus Becker. "De algoritme voegt al die informatie samen tot een enkel getal – een maat voor de fout – en probeert die fout zo klein mogelijk te maken." Om die fout zo klein mogelijk te maken gebruikt de controller ‘rotatieruis’.

"Telkens als de joystick de robots opdracht geeft om te roteren, draait elke robot een klein beetje anders, ten gevolge van het willekeurig slippen van e wielen. De controller gebruikt deze verschillen om de zwerm langzaam naar zijn doel te sturen. Hier zijn de resultaten van de algoritme bijzonder kritisch. Er kunnen wel duizenden individuele commando’s nodig zijn om een complexe vorm te produceren, maar het blijkt dat de algoritme altijd de gewenste doelposities produceert."

"Het is het tegenovergestelde van intuïtief", vindt McLurkin. "Met gezond verstand zou je zeggen dat je individuele commando’s op elke robot zou moeten loslaten om de zwerm in complexe patronen te groeperen, maar dat is niet het geval. Het mooie van de algoritme is dat hij bij elke simpele beweging de hele groep dichter bij het doel brengt."

Triljoenen robots

Volgens McLurkin is de demonstratie de eerste stap naar een ambitieuzer doel: "Aaron’s nieuwe werk is erop gericht om gebruik te maken van obstakels om veel complexere taken uit te voeren en tegelijk honderden of duizenden robots te besturen. Dat klinkt misschien als sciencefiction, maar chemicus James Tour ontwikkelt hier op Rice nu al enorme populaties nanorobots. Met zijn groep kan hij er triljoenen maken in een enkele batch."

Becker zegt dat de huidige algoritme traag is, en dat de data van de online games zullen worden gebruikt om nieuwe besturingsalgoritmen te ontwikkelen die 200 maal sneller zijn. Hij zet zijn onderzoek voort op de Harvard University en het Boston Children’s Hospital.