Hoe robotica inspiratie kan halen uit de natuur

Van een bron van vermaak voor sciencefiction‑schrijvers tot een hulpmiddel voor de ontwikkeling van de menselijke samenleving, robots en robotica hebben een lange weg afgelegd. 

Tussen 2016 en 2028 wordt verwacht dat de wereldwijde robotica‑markt zal groeien van bijna US$23 billion tot meer dan US$45 billion. Bij de ontstaan werd robotica gezien als iets dat beperkt zou blijven tot industriële omgevingen. 

Integendeel, meer dan de helft van de robotica‑markt bestaat nu uit service‑robotica. Robots worden tegenwoordig breed ingezet in de auto‑industrie, chemische industrie, elektrische/electronische industrie, voedingsindustrie, medische sector en meer. Innovatiever nog, robotica‑leveranciers zorgen ervoor dat ze ook worden gebruikt in meer traditionele gebieden zoals landbouw, huishoudelijk werk en entertainment. 

Hoewel het waar is dat de rol van robotica in veel conventionele sectoren transformerend is geweest, kan het iets leren van de wereld om ons heen? Vandaag bekijken we nauwkeurig scenario’s waarin robotica inspiratie kan halen uit de natuur. 

Hoe bio‑geïnspireerde robotica zich kan verrijken door whirligigkevers

Bekend als het snelst zwemmende insect ter wereld, kunnen whirligigkevers een versnelling van 100 meter per seconde en een topsnelheid van 100 lichaamslengtes per seconde, oftewel precies 1 meter per seconde, bereiken. Maar hoe behalen ze zo’n snelheid en acceleratie?

Hun zwemmende strategie werd bestudeerd door onderzoekers en gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology. De studie droeg de titel, ‘Whirligig Beetle Uses Lift-Based Thrust for Fastest Insect Swimming.’ 

Het onderzoek maakte gebruik van twee hogesnelheidscamera’s die op verschillende hoeken waren gesynchroniseerd. Het resultaat was een video die het zwemmende mechanisme: lift‑gebaseerde stuwkracht. Het werkte vergelijkbaar met een propeller, waarbij de stuwende beweging loodrecht op het wateroppervlak plaatsvond. Het mechanisme helpt de weerstand te verminderen en levert meer impuls voor hogere snelheid. 

Waarom is deze bevinding belangrijk? Hoewel lift‑gebaseerde stuwkracht al eerder is geïdentificeerd bij grootschalige organismen, toont deze studie aan dat het fenomeen ook geldt op een lengteschaal zo klein als 1 centimeter. 

Volgens Chris Roh, assistent‑professor Biologische en Milieutechniek aan de College of Agriculture and Life Science, wijst deze ontdekking bio‑geïnspireerde robotica en andere technische gemeenschappen erop eerst de juiste fysica te identificeren en vervolgens die fysica te behouden bij het creëren van robotica. 

Meer specifiek gelooft Roh dat dit fenomeen kan worden toegepast bij de ontwikkeling van onbemande robotische schepen, die veel kleiner en flexibeler kunnen zijn door gebruik te maken van de lift‑genererende voortstuwingsmechanismen van whirligigkevers. De Verenigde Staten zijn bezig met het ontwikkelen van dergelijke boten die niet langer onderhevig zijn aan de beperkingen van het bieden van onderdak aan een bemanning. 

Dit onderzoek zet ons ertoe aan robotica in een nieuw licht te zien. Het is altijd mogelijk om inspiratie uit de natuur te halen en deze om te keren naar mens‑mechanische ontwerpen. We hebben nog meer voorbeelden gevonden van zo’n synergie tussen natuur/mensen en de machine. 

Octopus‑geïnspireerde robot die werd geprezen als de toekomst van zachte robotica

Gemaakt in 2016 door Cecilia Laschi, professor aan het BioRobotics Institute van Sant’Anna in Pisa, Italië, was de octopus‑geïnspireerde robot enorm flexibel en kon hij reageren op zijn omgeving met veel meer gevoeligheid en nauwkeurigheid dan de meeste andere zachte robots die tot dan toe waren ontwikkeld. In de woorden van Laschi:

“Dit relatief nieuwe onderzoeksgebied heeft het potentieel om onze ideeën over wat robots kunnen en waar ze nuttig kunnen zijn, te doorbreken.”

De robot, die veel minder rekenkracht nodig had en veel beter geschikt was om zich op ruw terrein te bewegen, kon vloeistof aantrekken en vervolgens uit zijn lichaam uitstoten. Hij kon over de ruwe zeebodem scharrelen met al zijn acht poten. 

De robot werd gebouwd met elektro‑actieve polymeren die vervormden wanneer ze aan elektriciteit werden blootgesteld. De robot onderging met succes tests in de Middellandse Zee begin 2016. De ontwikkeling heeft het vakgebied van zachte robotica sindsdien veel verder gebracht. 

In één geval, in 2017, kwam Harvard University met de Octobot, een zachte robot waarbij alle mechanische componenten waren vervangen door analoge zachte systemen. Hij werd 3D‑geprint en had ingebouwde kanalen die stroom‑ en bewegingscontrole mogelijk maakten, aangedreven door gas‑aangedreven pneumatiek. 

Naast de octopus‑geïnspireerde ontwikkelingen imiteerde bio‑geïnspireerde robotica ook andere dieren. De ingenieurs van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne ontwikkelden bijvoorbeeld een robot die de beweging van een salamander nabootste. 

Een ander onderzoeksteam haalde inspiratie uit slangen. Door hun vermogen om door complexe en ingewikkelde terreinen te bewegen, zouden deze robots nuttig kunnen zijn bij ruimteverkenning. 

Pleurobot en Snakebot: Robotica die complexe bewegingen mogelijk maakte

Pleurobot haalt inspiratie uit de beweging van een salamander. Hij heeft een uniek wervelgewricht dat de robot helpt om in en uit het water te glijden. Hij heeft 11 wervelsegmenten. Visueel was de ontwikkeling van de robot gericht op het opnieuw stimuleren van de werking van het menselijk ruggenmerg en de manier waarop de hersenen ermee communiceren. 

Het nabootsen van de beweging van een salamander met een robot was een cruciale doorbraak omdat salamanders kunnen overschakelen van kruipen naar lopen naar zwemmen door dezelfde beweging uit te voeren. Ze veranderen alleen de snelheid. Dergelijke innovaties kunnen transformerend en revolutionair zijn wanneer ze in machines en robots worden toegepast. 

De Snakebot, daarentegen, was het idee van een groep onderzoekers van Carnegie Mellon University. Ze wilden een robot ontwikkelen die de beweging van een slang nabootste bij het kruipen door moeilijk terrein, puin en obstakels. De robot was 37 inch lang en 2 inch in diameter en had 16 gewrichten. Laatst gemeld heeft NASA deze robots ingezet in hun ruimteverkenningsprojecten. 

Met deze ontwikkelingen en nog veel meer zijn robots die inspiratie uit de natuur halen, ook wel bio‑geïnspireerde robotica genoemd, groot geworden. Het Massachusetts Institute of Technology, een van ’s werelds meest bewonderde en gerespecteerde instellingen voor engineering, biedt een cursus bio‑geïnspireerde robotica aan binnen de afdeling werktuigbouwkunde. 

De cursus beoogt een “interdisciplinaire benadering van bio‑geïnspireerd ontwerp te stimuleren, met nadruk op het extraheren van principes die toepasbaar zijn op verschillende robotica‑onderzoeksvelden, zoals robotica, protheses en mens‑ondersteunende technologieën.” 

Niet alleen grote instellingen zijn geïnteresseerd, maar ook grootschalige technologiebedrijven raken enthousiast betrokken bij bio‑geïnspireerde robotica. Bijvoorbeeld, Boston Dynamics, een bedrijf dat in 2021 door Hyundai werd overgenomen voor een waardering van US$1,1 billion, ontwikkelde een robot die een hond nabootst om vele moeilijke taken uit te voeren. De viervoetige machine kreeg de naam Spot. 

1. Boston Dynamics’ Spot: Een viervoetige robot die een hond nabootst

Ontwikkeld als een hoofdloze gele hond, kon Spot, van Boston Dynamics, heuvels beklimmen en trappen navigeren. Het apparaat kostte US$74,500. Het diende vele doeleinden, van het inspecteren van fabrieken, bouwplaatsen en gevaarlijke omgevingen, tot het beklimmen en zelfs navigeren van trappen. 

Spot kan nu 24/7 opereren, zonder tussenkomst. Hij kan zichzelf autonoom opladen en dynamisch om nieuwe obstakels heen herplannen. Volgens officiële cijfers hebben Spot‑robots tot nu toe meer dan 1,000 klanten bereikt. 

Spot bedient een reeks sectoren, waaronder productie, energie en natuurlijke hulpbronnen, bouw, academische wereld en onderwijs, en de overheid. 

Nadat Hyundai de overname van Boston Dynamics had afgerond, bezit het een belang van 80 percent in het bedrijf. SoftBank, via een van haar dochterondernemingen, hield de controle over de resterende 20 percent. 

Hyundai publiceerde op 21 maart 2023 haar geconsolideerde jaarrekening voor 2022. Het bedrijf verdiende 6,126,969 miljoen Koreaanse Won in 2022, een aanzienlijke stijging ten opzichte van 3,782,498 miljoen Koreaanse Won in 2021. De in 2022 uitgekeerde dividenden bedroegen 7,207 miljoen. 

2. ABB’s overname van SevenSense: Een doorbraak in de ontwikkeling van natuur‑geïnspireerde robots

ABB, een andere wereldwijde robotica‑gigant, heeft recent Sevensense, een Zwitserse start‑up gekocht die zich specialiseert in het verbeteren van de mobiliteit van industriële robots. Meer specifiek ontwikkelt SevenSense sensor‑ en AI‑aangedreven robotsystemen met oog‑ en hersenfuncties om zich door fabrieken te bewegen en de gehele fabriekshal te doorkruisen. 

De oplossingen zullen niet beperkt blijven tot aangeleverde productielijnen die meestal vaste magnetische strips gebruiken. Deze robots kunnen 2 ton materiaal verplaatsen met snelheden van 1,5 meter per seconde. Ze zijn uitgerust met zes camera’s. Volgens Sami Atiya, hoofd robotica en discrete automatisering bij ABB: 

“Onder het oude systeem, wanneer je een productielijn van 100 meter moest wijzigen, bijvoorbeeld door een nieuwe productiecellen toe te voegen, was het onmogelijk de robot om te leiden. Nu kunnen we dat gemakkelijk doen.”

Volgens het meest recente beschikbare financiële rapport had ABB in 2022 een jaarlijkse omzet van US$29,4 billion, vergeleken met US$28,9 billion in 2021. 

3. Yamaha’s door mens‑rijder geïnspireerde Motobot

Niet alleen zeedieren en onze viervoetige vrienden, maar robots halen ook inspiratie uit ons mensen. Yamaha’s unieke project, Motobot, heeft als doel een ideale humanoïde robot te creëren die een voertuig ongewijzigd kan besturen voor autonoom gebruik. Motobot kan het voertuig autonoom besturen door gegevens van voertuigsnelheid, motor‑rpm, machine‑oriëntatie en soortgelijke parameters te gebruiken. 

Yamaha is van plan Motobot verder uit te rusten met hoog‑precisie GPS, sensoren, enz., zodat hij machine‑positieherkenning krijgt en zijn beslissingen verstandiger kan nemen over de beste lijnen op een racecircuit en de grenzen van de motorprestaties. 

Voor de ontwikkeling van Motobot heeft Yamaha samengewerkt met SRI International, een toonaangevend wereldwijd onderzoeksinstituut. De visie is inspiratie en kennis te halen uit de onderliggende technologieën die actief zijn bij de ontwikkeling van MOTOBOT, zoals robotbesturing en het creëren van mens‑machine‑interfaces. 

Volgens het meest recente beschikbare jaarverslag voor FY 2022 verdiende Yamaha een omzet van meer dan 408 billion Japanse Yen in dat jaar, met een operationele kernwinst van 43 billion Japanse Yen. 

Een lijst van eindeloze ontwikkelingen

In onze beperkte tijdspanne zouden we meerdere baanbrekende voorbeelden kunnen bespreken waarin robotica aanzienlijke inspiratie uit de natuur haalde. Een onderzoek naar de beschikbare publicaties laat echter zien dat dit slechts het topje van de ijsberg is. Robotica, als een stroom van studie, onderzoek, ontwikkeling en toepassing, heeft sterk geput uit de natuur en zal dat blijven doen. 

Robothdrone’s worden bijvoorbeeld sterk geïnspireerd door vogels. Niet alleen qua vliegsysteem, vogels inspireren drones ook om effectief te vliegen bij slecht weer en in harde wind. 

Duikvogels leidden tot de creatie van de Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV) bij het Aerial Robotics Laboratory van Imperial College London. Deze AquaMAV’s kunnen met hoge snelheid in het water duiken, weer naar boven komen en water via een straal uitstoten. Deze oplossingen worden gebruikt in diverse gevallen, waaronder het verzamelen van watermonsters voor reddingsmissies of onderwaterverkenning. 

Vlinders hebben micro‑bots geïnspireerd om een speciaal type vleugelstructuur te hebben die hen helpt verder te vliegen en ongelukken te vermijden. 

Boston Dynamics, een van de bedrijven die we al hebben besproken, heeft een andere robot genaamd Atlas, die een intelligente bipolaire humanoïde is. 

Jessiko is een onderwaterrobot die vinnen gebruikt om door water te bewegen. DelFly Micro is een 3,07‑gram flapperende‑vleugel‑robot die – zoals de naam al aangeeft – geïnspireerd is op de vlieg. De wereld heeft ook de op schildpadden geïnspireerde 3D‑geprinte, viervoetige zachte robots gezien. 

De natuur heeft miljoenen dieren en insecten. De evolutionaire mogelijkheden van deze dieren en insecten stellen hen in staat verbazingwekkende dingen te doen. Mensen vormen hierop geen uitzondering. Het leren hoe deze lichamen werken zou vele kansen voor robots openen. 

Veel taken die mensen vereisen om naar risicovolle plaatsen te reizen, kunnen door deze robots worden uitgevoerd. Deze robots kunnen niet alleen die taken volbrengen, maar dat ook met een hogere snelheid en efficiëntie, met veel finesse en nauwkeurigheid. Ze kunnen vele repetitieve taken overnemen, waardoor de menselijke hersenen meer tijd hebben om te doen waar ze het beste in zijn: ideeën genereren en nieuwe dingen creëren om de beschaving vooruit te helpen. 

Klik hier voor de lijst van de tien beste robotica‑bedrijven.