We leven in een wereld waar meerdere technologische revoluties tegelijkertijd plaatsvinden. Terwijl de sprongen op het gebied van informatica, robotica en biotechnologie veel aandacht krijgen, wordt er minder aandacht besteed aan een even veelbelovend vakgebied. Dit zou het productiegebied zijn, waar technologieën zoals 3D-printen en autonome robots een enorme game-changer blijken te zijn.
Zo is er het werk dat wordt verricht door MIT's Centre for Bits and Atoms (CBA). Hier werken afgestudeerde student Benjamin Jenett en professor Neil Gershenfeld (als onderdeel van het proefschrift van Jenett) aan kleine robots die in staat zijn om hele constructies samen te stellen. Dit werk kan gevolgen hebben voor alles, van vliegtuigen en gebouwen tot nederzettingen in de ruimte.
Hun werk wordt beschreven in een studie die onlangs verscheen in het oktobernummer van de IEEE Robotics and Automation Letters. De studie is geschreven door Jenett en Gershenfeld, samen met mede-afgestudeerde student Amira Abdel-Rahman en Kenneth Cheung - afgestudeerd aan MIT en de CBA, die nu werkt bij NASA's Ames Research Center.
Zoals Gerensheld in een recent MIT-nieuwsbericht uitlegde, zijn er van oudsher twee brede categorieën van robotica. Aan de ene kant heb je dure robotica gemaakt van op maat gemaakte componenten die zijn geoptimaliseerd voor bepaalde toepassingen. Aan de andere kant zijn er die zijn gemaakt van goedkope in massa geproduceerde modules met lagere prestaties.
De robots waaraan het CBA-team werkt - die Jenett de Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer (BILL-E, zoals WALL-E) heeft genoemd - vertegenwoordigen een geheel nieuwe tak van robotica. Aan de ene kant zijn ze veel eenvoudiger dan de dure, aangepaste en geoptimaliseerde variëteit aan robots. Aan de andere kant zijn ze veel capabeler dan in massa geproduceerde robots en kunnen ze een grotere verscheidenheid aan constructies bouwen.
De kern van het concept is het idee dat grotere structuren kunnen worden samengesteld door kleinere 3D-stukken te integreren - die het CBA-team "voxels" noemt. Deze componenten bestaan uit eenvoudige stutten en knooppunten en kunnen eenvoudig aan elkaar worden bevestigd met eenvoudige vergrendelingssystemen. Omdat ze meestal lege ruimte zijn, zijn ze licht van gewicht, maar kunnen ze toch worden gerangschikt om ladingen efficiënt te verdelen.
De robots lijken ondertussen op een kleine arm met twee lange segmenten die in het midden scharnieren met aan elk uiteinde een klemapparaat dat ze gebruiken om de voxelstructuren vast te pakken. Deze aanhangsels stellen de robots in staat om te bewegen als inchwormen, waarbij ze hun lichaam openen en sluiten om van de ene plek naar de andere te gaan.
Het belangrijkste verschil tussen deze assembleurs en traditionele robots is echter de relatie tussen de robotwerker en de materialen waarmee hij werkt. Volgens Gershefeld is het onmogelijk om dit nieuwe type robot te onderscheiden van de constructies die ze bouwen, omdat ze samenwerken als systeem. Dit is vooral duidelijk als het gaat om het navigatiesysteem van de robots.
Tegenwoordig hebben de meeste mobiele robots een zeer nauwkeurig navigatiesysteem nodig om hun positie bij te houden, zoals GPS. De nieuwe assembler-robots hoeven echter alleen te weten waar ze zijn met betrekking tot de voxels (kleine subeenheden waaraan ze momenteel werken). Wanneer een monteur naar de volgende gaat, past hij zijn positiegevoel aan en gebruikt hij alles waar hij aan werkt om zich te oriënteren.
Elk van de BILL-E-robots kan zijn stappen tellen, waardoor hij naast navigatie alle fouten die hij onderweg maakt, kan corrigeren. Samen met besturingssoftware die is ontwikkeld door Abdel-Rahman, zal dit vereenvoudigde proces zwermen BILL-Es in staat stellen hun inspanningen en samenwerking te coördineren, wat het assemblageproces zal versnellen. Zoals Jenett zei:
"We leggen de precisie niet in de robot; de precisie komt van de structuur [naarmate het geleidelijk vorm aanneemt]. Dat is anders dan alle andere robots. Het moet gewoon weten waar de volgende stap is. '
Jenett en zijn medewerkers hebben verschillende proof-of-concept-versies van de assembleurs gebouwd, samen met bijbehorende voxel-ontwerpen. Hun werk is nu zo ver gevorderd dat prototypeversies de assemblage van de voxelblokken in lineaire, tweedimensionale en driedimensionale structuren kunnen demonstreren.
Dit soort assemblageproces heeft al de interesse gewekt van NASA (die samenwerkt met MIT bij dit onderzoek), en het in Nederland gevestigde lucht- en ruimtevaartbedrijf Airbus SE - dat ook de studie sponsorde. In het geval van NASA zou deze technologie een zegen zijn voor hun Automated Reconfigurable Mission Adaptive Digital Assembly Systems (ARMADAS), die co-auteur Cheung leidt.
Het doel van dit project is om de nodige automatiseringstechnologieën en robotassemblagetechnologieën te ontwikkelen om deep-space infrastructuur te ontwikkelen - waaronder een maanbasis en ruimtehabitats. In deze omgevingen bieden robotassemblagers het voordeel dat ze constructies sneller en goedkoper kunnen assembleren. Evenzo kunnen ze gemakkelijk reparaties, onderhoud en modificaties uitvoeren.
"Voor een ruimtestation of een maanhabitat zouden deze robots op de constructie leven en deze continu onderhouden en repareren", zegt Jenett. Als deze robots in de buurt zijn, is het niet meer nodig om grote voorgemonteerde structuren vanaf de aarde te lanceren. In combinatie met additieve productie (3D-printen) zouden ze ook lokale bronnen als bouwmaterialen kunnen gebruiken (een proces dat bekend staat als In-Situ Resource Utilization of ISRU).
Sandor Fekete is de directeur van het Institute of Operating Systems and Computer Networks aan de Technische Universiteit van Braunschweig, Duitsland. In de toekomst hoopt hij zich bij het team te voegen om de controlesystemen verder te ontwikkelen. Hoewel het ontwikkelen van deze robots tot het punt dat ze constructies in de ruimte kunnen bouwen een grote uitdaging is, zijn de toepassingen die ze zouden kunnen hebben enorm. Zoals Fekete zei:
"Robots raken niet moe of verveeld en het gebruik van veel miniatuurrobots lijkt de enige manier om deze cruciale klus te klaren. Dit uiterst originele en slimme werk van Ben Jenett en medewerkers maakt een gigantische sprong in de richting van de constructie van dynamisch verstelbare vliegtuigvleugels, enorme zonnezeilen of zelfs herconfigureerbare ruimtehabitats. ”
Het lijdt weinig twijfel dat als de mensheid duurzaam op aarde wil leven of de ruimte in wil trekken, ze zal moeten vertrouwen op een behoorlijk geavanceerde technologie. Op dit moment zijn de meest veelbelovende hiervan degenen die kosteneffectieve manieren bieden om in onze behoeften te voorzien en onze aanwezigheid over het zonnestelsel uit te breiden.
In dit opzicht zouden robotassemblagers zoals BILL-E niet alleen nuttig zijn in de ruimte, op de maan of daarbuiten, maar ook hier op aarde. Wanneer ze op dezelfde manier worden gecombineerd met 3D-printtechnologie, zouden grote groepen robotassemblages die zijn geprogrammeerd om samen te werken, goedkope, modulaire woningen kunnen bieden die een einde kunnen maken aan de huizencrisis.
Zoals altijd kunnen technologische innovaties die helpen bij het verkennen van de ruimte worden gebruikt om het leven op aarde ook gemakkelijker te maken!
