Hoe een zwerm minirobots onze infrastructuur kan redden

De Nederlandse infrastructuur piept en kraakt: veel bruggen, viaducten en wegen vragen om onderhoud of vervanging. Maar waar te beginnen? RUG-onderzoeker Bahar Haghighat ontwikkelt kleine, autonome robots die als een zwerm over stalen constructies bewegen om gedetailleerde inspecties uit te voeren.

Een groot deel van de Nederlandse infrastructuur is in de decennia na de Tweede Wereldoorlog gebouwd en nadert nu het einde van zijn levensduur. Onderhoud en vervanging worden steeds urgenter. Het leidt tot de fundamentele vraag: waar moeten we beginnen? Welke bruggen hebben als eerste aandacht nodig, en welke kunnen nog wel een tijdje wachten?

Om deze vragen te beantwoorden is gedetailleerdere informatie nodig over de staat van de constructies. Huidige monitoringssystemen zijn grotendeels afhankelijk van statische sensoren die alleen op een beperkt aantal plekken metingen verrichten. Haghighat: ‘Ik was direct geïntrigeerd: dit leek me een perfecte casus voor mijn kleinschalige robots.’

Het onderzoeksgebied van Haghighat is zwermrobotica. Hierbij gaat het om (veelal kleinschalige) robots die individueel relatief eenvoudige taken uitvoeren, maar als groep – of beter gezegd: als zwerm – complexe problemen oplossen. Zwermrobotica is sterk geïnspireerd op de natuur, legt de onderzoeker uit. De voorbeelden zijn talloos: denk aan een school vissen, een zwerm vogels of insecten zoals termieten en mieren. Zij voeren complexe groepstaken uit zonder centrale aansturing en lijken zich daarbij als één organisme te gedragen.

Wetenschappers hebben verschillende hypotheses opgesteld over deze biologische processen. Zo spelen bij insecten bijvoorbeeld feromonen en het waarnemen van trillingen een rol. ‘Het is ontzettend lastig om deze biologische processen volledig te doorgronden’, zegt Haghighat. ‘Wat mij fascineert, is hoe relatief eenvoudige lokale interacties uiteindelijk kunnen leiden tot gecoördineerd gedrag op het niveau van de hele groep. Er is geen centrale ‘leider’ die elk individu vertelt wat het moet doen. Dat is heel anders dan bij mensen, waar meestal een supervisor de groep aanstuurt.’

decoratieve afbeeldingDe kleine robots voeren individueel relatief eenvoudige taken uit, maar als groep – of beter gezegd: als zwerm – lossen ze complexe problemen op.

Het vakgebied zwermrobotica begon zo’n 35 jaar geleden als zwermintelligentie. Onderzoekers wilden natuurlijke zwermen begrijpen en nabootsen. Met behulp van computersimulaties begon men zwermgedrag na te bootsen. Ongeveer twintig jaar geleden ontstond de zwermrobotica. De introductie van smartphones leidde tot een snelle ontwikkeling van kleine, krachtige hardware. Vanaf dat moment werd het mogelijk om kleinschalige zwermrobots te bouwen, zoals drones en onderwaterrobots. ‘We kunnen inmiddels hele coole dingen. Dertig jaar geleden probeerden we het te begrijpen, twintig jaar geleden begonnen we met bouwen, en nu willen we echt impact maken met de toepassingen.’

Haghighat ziet het als haar missie om zwermrobotica toe te passen voor detectie- en inspectievraagstukken. Bij zwermrobotica draait het om groepen mobiele robots die gezamenlijk informatie kunnen verzamelen over de fysieke wereld. Het grote voordeel van een robotzwerm is de schaalbaarheid, legt ze uit. ‘In plaats van één sensor gebruiken we een veelvoud aan sensoren. Als een van de sensoren uitvalt, kan een andere robot het overnemen.’ Dit maakt zwermrobots bij uitstek geschikt voor gevaarlijke of moeilijk bereikbare omgevingen, legt ze uit.

De kleinschalige robots van Haghighat zijn kleine voertuigjes die verschillende sensoren kunnen dragen. De robots zijn hooguit een paar centimeter groot en bewegen zich bijvoorbeeld over een stalen brug met magnetische wielen, waarbij ze de ‘gezondheid’ van de constructie op verschillende plekken meten. ‘Hiermee kunnen we bepalen of de constructie nog in goede staat verkeert of dat er scheuren of andere structurele schade in zit.’

In 2025 ontving Haghighat een Vidi-beurs om de ontwikkeling van autonome robots voor structurele inspectie te versnellen. ‘De Vidi-beurs geeft ons de mogelijkheid om een aantal fundamentele uitdagingen aan te pakken die deze systemen momenteel beletten om autonoom in de echte wereld te functioneren’, zegt ze. ‘Ik verwacht niet dat onze robots over vijf jaar elke brug in Nederland inspecteren. Maar ik hoop vooral dat we kunnen aantonen dat deze aanpak werkt en daarmee de basis kunnen leggen voor verdere ontwikkeling van de technologie, via toekomstig onderzoek, samenwerking met de industrie, of zelfs de oprichting van een start-up onder leiding van een van mijn studenten.’

Robot vliegt door de lucht en zeilt zelfstandig over het water

Onderzoekers hebben een robot ontwikkeld die vanuit de lucht op het water kan landen en vervolgens zelfstandig verder kan varen. Het ontwerp is geïnspireerd op ahornzaden, vogels en vissen.

De robot heet ALBATROSS, een afkorting van Airborne Lander with Buoyant AuToROtating Sailing Sensor. Het systeem is ontwikkeld door een interdisciplinair team van de Singapore University of Technology and Design. De onderzoekers beschrijven hun resultaten in het tijdschrift Science Robotics.  

ALBATROSS weegt ongeveer één kilogram en beschikt over slechts drie actuatoren en drie navigatiesensoren. De robot kan vanuit een vliegtuig of drone boven open water worden losgelaten. Een parachute of propellers zijn daarbij niet nodig. Tijdens de afdaling draaien de vleugels automatisch rond hun as, vergelijkbaar met de gevleugelde zaden van een esdoorn. Door deze autorotatie wordt de valsnelheid sterk verminderd en wordt de landing gestabiliseerd. De impactenergie wordt volgens de onderzoekers met een factor 18,5 verminderd ten opzichte van een ongecontroleerde val.  

Zodra de robot het water raakt, draait hij door zijn lage zwaartepunt automatisch rechtop. De vleugels die tijdens de afdaling voor de autorotatie zorgden, functioneren vervolgens als zeilen. Een centraal zeil kan vrij draaien, terwijl een voorzeil en een windvaan ervoor zorgen dat de robot zich ten opzichte van de wind oriënteert.

Voor de navigatie gebruikt ALBATROSS een kompas en gps. Een op de staart van een vis geïnspireerd roer maakt het mogelijk om van richting te veranderen. Bij weinig wind kan het roer bovendien heen en weer bewegen om extra voortstuwing te leveren. In tests haalde de robot een snelheid van maximaal ongeveer 1 kilometer per uur.  

De onderzoekers lieten ALBATROSS onder meer vanaf een hoogte van 150 meter in een meer vallen. Vervolgens voer de robot tijdens tests op een stuwmeer in Singapore gedurende drie uur zelfstandig langs vooraf ingestelde routepunten. Daarbij verzamelde hij gegevens over onder meer luchtvochtigheid en watertemperatuur.  

De onderzoekers zien toepassingen voor milieumonitoring, bijvoorbeeld na olievervuiling of bij algenbloei, maar ook voor klimaatonderzoek, reddingsoperaties en het bewaken van watergebieden. Doordat verschillende onderdelen meerdere functies hebben, blijft het ontwerp relatief eenvoudig.

ALBATROSS is voorlopig nog een proof-of-concept. De robot is tot nu toe getest in een beschut waterreservoir. Voor gebruik op zee moet het ontwerp nog worden aangepast om sterkere wind, golven en stromingen te kunnen weerstaan.   

Atlas krijgt nieuwe handen voor complexer werk

Boston Dynamics heeft nieuwe handen ontwikkeld voor zijn humanoïde robot Atlas. De handen moeten de robot in staat stellen om nauwkeuriger en behendiger fysieke werkzaamheden uit te voeren, waaronder het gebruiken van gereedschap. De ontwikkeling is volgens het robotbedrijf een belangrijke stap richting een Atlas die geschikt is voor praktische toepassingen. 

De nieuwe handen hebben dertien bewegingsvrijheidsgraden, tegenover zeven bij de vorige generatie. Ze beschikken over vier vingers, waaronder een beweegbare duim, en hebben geen zichtbare kabels tussen de gewrichten. Sensoren in de handpalmen en vingertoppen registreren daarnaast contact en druk, zodat Atlas objecten nauwkeuriger kan vastpakken en manipuleren.

De hand is ongeveer zo groot als een grote menselijke hand en kan volgens Boston Dynamics meer dan 45 kilogram tillen. De robot kan verschillende voorwerpen vastpakken en gereedschap bedienen, zoals boormachines, slijpers, spijkerpistolen en andere apparaten. Daarbij is de hand ontworpen om voorwerpen ook binnen de greep te kunnen verplaatsen en een greep te herstellen wanneer een object dreigt weg te glijden. 

Opvallend is dat Atlas het met vier vingers moet doen. Boston Dynamics heeft bewust afgezien van een pink. Volgens het bedrijf zou een extra vinger weliswaar technisch mogelijk zijn, maar levert die voor de beoogde toepassingen onvoldoende voordeel op. Een vijfde vinger zou bovendien extra onderdelen, gewicht, kosten en mogelijke storingspunten met zich meebrengen. 

De ontwikkeling van de handen past bij de bredere ontwikkeling van Atlas. Boston Dynamics richt zich daarbij niet alleen op beweeglijkheid, maar ook op een ontwerp dat uiteindelijk op grotere schaal geproduceerd, onderhouden en ingezet kan worden.