Robot zonder motor of software beweegt als een springboon (video)

Een kleine robot van het Italiaanse Institute of Technology kan springen, rollen, flikflakken, glijden en zelfs hellingen beklimmen – zonder motoren, batterij, sensoren of computer. De sleutel is niet slimme software, maar de combinatie van een vormgeheugenlegering, magneten en een slimme behuizing.

De studie Stochastic Locomotion Emerging From Body–Environment Interactions in a Mexican Jumping Bean–Inspired Robot verscheen in Advanced Intelligent Systems.

Robots die zelfstandig hun weg vinden over een onbekend terrein hebben doorgaans een flinke hoeveelheid techniek aan boord: actuatoren, sensoren, elektronica en software. Onderzoekers van het Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Genua laten zien dat het ook anders kan. Hun Bean-Bot gebruikt geen elektronica of centrale besturing. Het robotje laat zijn beweging grotendeels ontstaan uit de interactie tussen materiaal, vorm en omgeving.

De inspiratie komt van een opmerkelijk natuurverschijnsel: de Mexicaanse springboon. Die ‘boon’ is in werkelijkheid een zaaddoos van de plant Sebastiania pavoniana, waarin zich een larve van de mot Cydia saltitans bevindt. Bij oplopende temperatuur beweegt de larve zich krachtig samen. In combinatie met de karakteristieke vorm van de zaaddoos ontstaat daardoor een springende, rollende en soms kantelende beweging.

Eén actuator, meerdere bewegingen

De onderzoekers vertaalden dit biologische principe naar een robot van centimeterschaal. Centraal staat een thermisch reagerende veer van een vormgeheugenlegering, oftewel een shape-memory alloy (SMA).

Wanneer de veer wordt verwarmd, verandert de materiaalfase en ontstaat een mechanische beweging. Magneten houden het mechanisme aanvankelijk in bedwang. Daardoor kan energie worden opgebouwd voordat de vergrendeling plotseling wordt overwonnen. De opgeslagen elastische energie komt vervolgens in korte tijd vrij en lanceert de robot omhoog.

Opvallend is dat de robot vervolgens niet hoeft te ‘beslissen’ wat hij moet doen. De vorm van de behuizing bepaalt samen met de ondergrond wat er gebeurt.

De behuizing heeft zowel gebogen als vlakke oppervlakken. Landt de Bean-Bot andersom, dan kan de interactie met de ondergrond leiden tot een nieuwe sprong, een rolbeweging, een flip of een glijbeweging. Op die manier ontstaat multimodale voortbeweging zonder dat daarvoor verschillende motoren of een besturingsalgoritme nodig zijn.

De omgeving als onderdeel van het mechanisme

De onderzoekers spreken over embodied intelligence: intelligent gedrag ontstaat niet uitsluitend uit software, maar ook uit de eigenschappen van het lichaam en de interactie met de omgeving. De robot kan daarmee sprongen maken tot ongeveer 30 centimeter en rollen over een afstand van circa 80 centimeter. Ook kan hij hellingen van ongeveer 10 tot 18 graden beklimmen. In de experimenten ging 81,5 procent van de geregistreerde sprongen na de landing over in een of meer andere bewegingsvormen.

Geen software nodig

De ontwerpfilosofie verschilt daarmee sterk van die van veel autonome robots. In plaats van sensoren te gebruiken om de omgeving te meten, informatie naar een controller te sturen en vervolgens een motor aan te sturen, probeert Bean-Bot de gewenste respons rechtstreeks in het fysieke ontwerp te leggen.

De onderzoekers combineren daarvoor drie elementen:

• materiaal: een thermisch reagerende SMA-veer levert de mechanische aandrijving;
• morfologie: de asymmetrische, boonachtige behuizing bepaalt hoe het robotje met de ondergrond reageert;
• omgeving: verschillen in oppervlak en hellingshoek beïnvloeden de uiteindelijke beweging.

De complexiteit die normaal in software zou zitten, wordt daarmee voor een deel naar materiaal en geometrie verschoven.

Nog geen universele robot

De eenvoud heeft uiteraard ook een keerzijde. Bean-Bot kan niet bepalen waar hij naartoe gaat en kiest geen specifieke bewegingsmodus. Het systeem reageert op de omstandigheden die het tegenkomt. De onderzoekers benadrukken daarom dat het gedrag inherent stochastisch is en dat de huidige robot geen trajecten plant of bewegingsmodi expliciet selecteert.

Ook de warmte-activering vormt een praktische beperking. Het SMA-mechanisme werkt binnen een relatief hoog temperatuurbereik en moet na activering weer afkoelen voordat de cyclus zich kan herhalen. De huidige demonstrator is daarmee vooral een onderzoeksplatform voor fysieke intelligentie, en geen directe vervanger voor conventionele autonome mobiele robots.