10 grote uitdagingen binnen robotica

Fundamentele technologieën (uitdaging 1-7)

In ‘The Grand Challenges of Science Robotics’ worden de tien grote uitdagingen binnen robotica beschreven. De eerste zeven uitdagingen worden gecatalogeerd onder ‘fundamentele technologieën met impact in alle domeinen’ binnen de robotica.

1 Nieuwe materialen & productiemethodes

De technologische bouwstenen van een robot bestaan op de dag van vandaag nog uit tandwielen, elektrische servomotoren en actuatoren. Veel aandacht gaat de laatste decennia naar alternatieve vormen van aandrijving zoals artificiële spieren of alternatieve materialen. Daarbij wordt gekeken naar materialen die ofwel ‘zacht’ zijn of een geïntegreerde elektrische functionaliteit hebben. Laatstgenoemde materialen bieden vele voordelen doordat ze kunnen gebruikt worden als sensor en actuator. Omdat ze in het materiaal ingebed zitten, biedt de gedistribueerde manier van ‘sensing’ en aansturing nieuwe mogelijkheden.

Nieuwe materialen, actuatoren en productietechnieken kunnen ertoe leiden dat we af stappen van de klassieke ‘nuts-and-bolts' opbouw waardoor we een veel eenvoudigere assemblage krijgen. Belangrijk zal zijn om de mogelijkheid tot biodegradatie mee te nemen in het ‘circulaire economie’ ontwerp.

Nieuwe productietechnieken zoals 3D-printing (lithografie of selectieve lasersintering) bieden de mogelijkheid om tot zeer complexe en efficiënte structuren te komen. Hoewel het lijkt dat alles met 3D-printing kan opgelost worden is niets minder waar. Doorgaans zijn er nog wat bemerkingen te maken qua kost, productietijd, bereik en materiaalkeuze.

De toekomst blijkt te liggen bij zogenoemde 4D-robots (ruimte en tijd) die zichzelf aanpassen in de tijd en beschikken over adaptief en zelfhelend materiaal. De eerste kleine stappen zijn gezet, de weg is echter nog lang.

uitdagingen

2 Biologisch geïnspireerde robots

De term ‘biologisch geïnspireerde robots’ doelt op robots die gebruik maken van fundamentele biologische principes die vertaald worden in ontwerpregels, ook biomimetica of biomimicry genoemd. Het idee is eenvoudig maar geniaal: de natuur en evolutie streven naar efficiëntie in materiaal- en energiegebruik. Biomimetica heeft al lang een plaats binnen engineering, en raakt ook stilaan ingeburgerd in robotica.

Pioniers waren onder andere de SCARA robotarm en de nu alomtegenwoordige 6-assige seriële robot die zoveel mogelijk de bewegingsmogelijkheden van de menselijke arm nabootsen.

De studie wijst er echter op dat de grootste uitdagingen binnen de robotica in dit veld de laatste 30 jaar nagenoeg onveranderd gebleven zijn. Deze zijn onder meer het ontwikkelen van een energiebron die het metabolisme nabootst, energiecompacte spierachtige actuatoren, zelfhelend materiaal en een menselijk redeneringsvermogen.

uitdagingen — Biomimetica – gebruikmaken van fundamentele biologische principes die vertaald worden in ontwerpregels – heeft al lang een plaats binnen engineering en vindt de weg naar robotica

3 Energie

Er worden steeds hogere eisen gesteld aan industriële robots en aan mobiele platformen (Automated Guided Vehicles en Unmanned Aerial Vehicles) zoals kortere cyclustijden, een groter bereik en grotere draaglast. De auteurs vermelden dat zowel de energieopwekking, energieopslag en energieoverdracht grote uitdagingen bieden. Daarnaast moet een kanttekening gemaakt worden dat een minimaal energiegebruik d.m.v. geavanceerde sturing een bijkomende uitdaging vormt.

Voor ‘wireless’ mobiele platformen richt men zich op een efficiënte energieopslag, ‑overdracht en lokale energieopwekking. Grote aandacht gaat naar alternatieve technologieën voor gekende elektrochemische opslagmethodes, zoals fuel cells of supercapaciteiten. Daarnaast wordt ook gekeken naar alternatieve energieopslagmethodes. Veel hoop wordt gesteld op het draadloos doorsturen van energie en het lokaal aanmaken van energie met behulp van zogenaamde energyharvesters.

Een kleine hoeveelheid energie kan bijvoorbeeld opgewekt worden uit mechanische trilling en licht, en kan gebruikt worden voor het voeden van bv. sensoren. Inductieve energie-overdracht kennen we al uit de vooruitgang van de mobiele telefonie.

uitdaging

4 Zwermen

Robotzwermen kunnen vergeleken worden met bijenzwermen. Een groep eenvoudige, zelfs rudimentaire, robots kunnen samenwerken om zo een groter doel te bereiken dat ver buiten de mogelijkheden ligt van één enkele robot. De eenvoudige modulaire, goedkopere modules herconfigureren, al dan niet automatisch, afhankelijk van de taak. Zo wordt een enorme flexibiliteit gerealiseerd t.o.v. een lage kost. Zwermrobots komen voor op macro-, micro- en nanoschaal.

Uitdagingen zitten in het mathematisch modelleren van grote groepen zwermbots en het aansturen van een bepaald gewenst gedrag. Daarnaast is communicatie en perceptie van de omgeving uitermate belangrijk om enerzijds een doel te realiseren en anderzijds een herconfiguratie door te voeren. De studie wijst erop dat dergelijke technologie een significante stap voorwaarts zal zetten binnen 5 tot 10 jaar, dankzij toenemende performantie en complexiteit van algoritmes en dalende schaal en prijs van sensoren, processoren, communicatiehardware en actuatoren.

uitdagingen

5 Navigatie en exploratie

Enorme vooruitgang werd reeds geboekt als het komt op robot (industrieel of mobiel) padplanning met inbegrip van botsingsvermijding en tijd- en energieoptimalisatie. Daarbij komt significante vooruitgang op vlak van geavanceerde sensoren (denk maar aan de touch-skins rond sommige collaboratieve robots) en computervisie.

Padplanning en navigatie worden daarentegen echter steeds uitdagender omdat de omgeving waarin robots worden ingezet meer en meer dynamisch is en zeer snel kan veranderen. Denk aan robots (bv. cobot) in een omgeving waar mensen en andere robots (bv. AGV) opereren. Daarbij komt dat de omgeving waarin ze opereren ook minder en minder vooraf gedefinieerd is. De robot zal zich bijgevolg ook een beeld moeten kunnen vormen van de omgeving. Het zal belangrijk zijn om dynamisch een beeld te vormen van de omgeving en tegelijk een pad te plannen: het zogenaamde SLAM (Simultaneous Localisation And Mapping), zal moeten kunnen omgaan met variërende omgevingen en vervormbare objecten. Daarnaast zal het nodig zijn te leren omgaan met, zich aan te passen aan en te herstellen van problemen.

uitdaging — Aan AGV’s worden steeds hogere eisen gesteld zoals kortere cyclustijden, een groter bereik en grotere draaglast. Ook de padplanning moet steeds geavanceerder

6 AI voor robotica

Volgens de auteurs van de studie ondergaat AI een wedergeboorte na meer dan 60 jaar. Een wijdverspreide mythe luidt dat AI de eerste 50 jaar sinds zijn introductie niet werkte. Niets is minder waar. Voor bepaalde taken, voorzien van de juiste data en rekenkracht, zal AI buitengewoon goed presteren. In objectherkenning, waar de mens sinds jaar en dag superieur is t.o.v. computers, werd enorme vooruitgang geboekt.

De auteurs stellen dat recente progressie velen overtuigt dat we op de rand van de doorbraak naar ‘intelligentie’ staan. Vooruitgang van bestaande en ontwikkeling van nieuwe technieken zal echter noodzakelijk zijn om AI in staat te zijn tot redeneren. De kloof naar AI die menselijke intelligentie nabootst of overstijgt blijkt nog niet gedicht. Het nabootsen van menselijk intelligentie in software is nog steeds de blijvende grote uitdaging van AI.

Zo zal het metaleerniveau, wat leren hoe dingen te leren mogelijk maakt, een belangrijke rol spelen. Daarnaast zal AI met zijn eigen beperkingen moeten kunnen omgaan. De meeste ‘machine learning’ technieken zijn echter gebaseerd op ‘big data’ die in roboticatoepassingen niet altijd voorhanden is. Er wordt ook gewezen op de noodzaak van cloud AI voor de ontwikkeling van doorgedreven AI-robotica.

In bepaalde (veiligheids-) toepassingen zal de noodzaak voor een menselijke handeling in het uitvoeren van een AI beslissing blijven bestaan. Toch wordt er aangegeven dat sommige beslissingslussen te snel kunnen zijn voor het menselijke brein. In dergelijk geval zal AI moeten in staat zijn om moreel verantwoord te redeneren en beslissingen te nemen.

De AI-strategie van de Europese commissie focust op menselijk handelingsvermogen en toezicht, technische robuustheid en veiligheid, privacy en gegevensbeheer, transparantie, diversiteit, non-discriminatie en rechtvaardigheid, maatschappelijk en ecologisch welzijn en verantwoording.

uitdagingen — Autonome robots, voortbewogen door AI, kunnen ervoor zorgen dat de mens minder of geen verantwoordelijkheid opneemt in geval van falen en deze afschuift op de machine

7 Interactie met de hersenen

BCI’s (brain-computer interfaces) vormen een directe link tussen de menselijke hersenen en machines. Ze worden gezien als een ideaal hulpmiddel om de menselijke mogelijkheden uit te breiden. De BCI vertaalt de menselijke intentie naar elektrische signalen en wordt vooral gebruikt in ontwikkeling van actieve robotprotheses. Doorontwikkeling van BCI’s kan leiden tot interessante toepassingen binnen doorgedreven robot-menscollaboratie en aansturing.

Desalniettemin grote vooruitgang werd geboekt staat het veld nog steeds voor grote uitdagingen: de kost en complexiteit van de data-acquisitie, het omgaan met artefacten in de meetsignalen die niet van hersenactiviteit komen en de vraag of de BCI wel beter zal presteren dan eenvoudigere technieken zoals het tracken van de ogen of technieken die gebaseerd zijn op spiercontractie.

Uitdagingen binnen robotica: Fundamentele technologieën