Vrijdag 14/05/2021

Op zoek naar menselijke souplesse voor robots

Ze stofzuigen of werken in fabrieken en helpen autistische kinderen. Maar robots bewegen maar met 1 procent van de energie-efficiëntie en kracht van mens en dier. Met een fikse Europese beurs zoekt VUB-ingenieur Bram Vanderborght oplossingen. 'We proberen onze eigen spieren te evenaren.'

Eerst wilde ze dat echt niet, een stofzuigrobot. Maar nu hij na zes jaar stuk is, moet er absoluut een nieuwe komen." Voor professor Bram Vanderborght, mechanisch ingenieur aan de VUB, is de reactie van zijn vriendin herkenbaar. "Velen vinden robots maar eng. Dat ze voor jou klussen opknappen wakkert het gevoel aan dat ze boel gaan controleren. De stofzuigrobot, die vol sensoren zit, is echter een succes."

En zo zijn er tientallen toepassingen waarvan Vanderborght hoopt dat ze snel op de markt komen. Zelf ontwikkelt hij in de roboticaonderzoeksgroep bijvoorbeeld robots die mensen assisteren voor fundamentelere zaken dan het huishouden. De robotprothese die een been vervangt bij het wandelen, bijvoorbeeld. Een ander voorbeeld is een exoskelet, een uitwendig draagbare robot die de beweging assisteert. "Dat kan cruciaal zijn voor mensen die verzwakte spieren hebben of voor wie na ruggenmergschade opnieuw moet leren wandelen", zegt de ingenieur. Ook andere vormen van protheses en exoskeletten die ondersteunen bij de beweging en dankzij sensoren 'intelligent' reageren worden in het labo aan de VUB getest.

Behalve de mechanische hulp bieden robots nu al zelfs psychologische 'bijstand'. Met een team van psychologen werken Vanderborght en co met de robot Probo samen met autistische kinderen. "Voor die kinderen is de menselijke interactie vaak te veel. Ze worden overspoeld door input. Robots zijn eenvoudiger en voorspelbaar. Door interactie met de robots (die eruit zien als speeltjes, nvdr) proberende therapeuten de sociale en emotionele vaardigheden van de kinderen te verbeteren", zegt Vanderborght (zie kader).

Ook in fabrieken, het leger, operatiekwartieren, de auto-industrie en de hulpverlening zijn robots al aan de slag. In vooral het Amerikaanse leger, dat het robotonderzoek erg stimuleert, zijn ook exoskeletten om bommen in vliegtuigen te hangen, geavanceerde drones en 'muilezels' zoals 'BigDog' in volle ontwikkeling. BigDog is een goederendrager op vier poten in plaats van op wielen, zodat hij overal mee kan op het slagveld, ook op ruw terrein. Bij rampen komen ook steeds meer robots op de proppen. Het MIT ontwierp een robot die tot twintig keer zijn gewicht aan olie kan opzuigen en het waren robots die diep in zee de klus klaarden bij de ramp met het olieboorplatform Deep Horizon in 2010. Ook na orkaan Katrina en in Fukushima zijn robots ingezet.

Kracht halen uit veren

Toch presteren de huidige modellen bij rampen nog ondermaats. "Robots moeten krachtiger en energie-efficiënter worden als we willen dat ze nog beter met ons samenwerken. Nu loopt Asimo, de snelste humanoïde ter wereld, negen kilometer per uur. Bij de snelste mens is dat 37 kilometer per uur. En een robot kan maar een tiende van zijn eigen gewicht heffen. Ze hebben dus nog te weinig kracht. Robots bewegen met maar 1 procent van de energie-efficiëntie van mens en dier. Dat moet echt beter."

De sleutel daarvoor is het opzet van het onderzoeksproject waarvoor Vanderborght zonet 1,5 miljoen euro binnenrijfde van de European Research Council (ERC). Die sponsort onderzoek met een hoge inzet en een hoog risico dat, als het lukt, een grote impact heeft. "Ik denk dat wij gewonnen hebben omdat het probleem van de aandrijving in de robotica oplossen op erg veel terreinen een positieve invloed kan hebben", zegt Vanderborght.

Via zijn onderzoek naar de pneumatische ledematen van de tweevoeterrobot Lucy en de mobiliteit bij Japanse en Italiaanse humanoïde modellen (humanoids) die moesten leren stappen, heeft Vanderborght zich verdiept in de stabiliteit, het gebrek aan souplesse en de lage energie-efficiëntie van robots. "Klassiek heeft een robot per gewricht een motortje als aandrijving. Op die manier kun je de ledematen heel gericht in een bepaalde positie controleren. Maar dat zuipt dus energie en de kracht blijft laag. In een eerste stap hebben wij een verbetering ontworpen waarbij er een veer zit tussen het motortje en het gewricht." Die aanpak is gebaseerd op het menselijk lichaam: "Dat slaat energie op in 'veren', zoals de achillespees. Die energie komt dan weer vrij bij de volgende beweging. Door die ingreep maken we protheses die al een stuk minder energie vergen."

De volgende stap, die in het grote onderzoeksproject aan de VUB wordt getest, moet de kracht aanpakken. Ook hier kijkt het team van 25 experts naar het menselijk lichaam. "Onze spieren bestaan uit spiervezels. Kleine spieren hebben er weinig, grotere veel en wanneer je veel moet heffen worden er veel ingezet, wanneer je maar een kleine inspanning moet doen weinig. Dat principe willen we in robots overnemen. Naast een veer tussen de motor en het gewricht, moet het mogelijk zijn veel verschillende kleine motortjes te voorzien, naargelang de grootte van het gewricht. Die moeten dan idealiter ook met veel of minder worden ingezet naargelang de krachtinspanning", zegt Vanderborght. Een belangrijk en bijkomend voordeel van de veren is dat de robots ook zachter en soepeler zijn. "Klassieke aandrijvingen zijn hard. Je doet je pijn als je ertegen loopt. Zeker in de context met kinderen en bejaarden of op de werkvloer zijn zachtere robots veiliger", aldus de ingenieur. Hoe die 'robotvezels', in feite kleine motortjes, eruit zullen zien is nog niet duidelijk. "Daarvoor zullen we onder andere 3D-printing inzetten."

Heffen, niet denken

Vanderborght en co. hebben vijf jaar om de uitdaging te verwezenlijken. De toepassingen gaan van robots die beter in te zetten zijn bij rampen tot bejaardenzorg. "Met meer kracht, energie-efficiëntie en souplesse kunnen robots echte assistentierobots worden voor de snelgroeiende bejaarde bevolking", zegt Vanderborght. "In Duitse bejaardentehuizen en ziekenhuizen wordt nog maar 52 minuten per dag aan iedere persoon besteed. Wanneer robots op mensenmaat de routinetaken overnemen, kunnen de verzorgers het menselijke contact vergroten. De exoskeletten voor mensen met bewegingsproblemen zullen een fikse boost krijgen met 'spieren' parallel met die van de mens en ook voor wie langer zal moeten werken en fysieke arbeid verricht zijn sterke robots een uitweg, denk maar aan de bagagehandelaars op de luchthaven. Nu is hun rug snel kapot. Laat hen het denkwerk doen en de robots het hefwerk."

De jonge onderzoeker benadrukt ook de waarschijnlijke economische winst. "Onderzoek toont dat de markt voor robots in 2025 groter zal zijn dan de huidige pc-markt. Vlaanderen, dat een afnemende maakindustrie heeft maar wel sterk is in wetenschappelijk onderzoek en technologische innovatie, kan daar een graantje van meepikken. En met uitbreiding Europa. Hoewel Europa leider is in verschillende domeinen van roboticaonderzoek, leiden de VS op de markt. Daar zijn meer middelen om de overgang van het laboratorium naar de markt te maken. Zo is de auto zonder bestuurder van Google ontstaan en heeft werk van de MIT-prof Rodney Brooks tot de stofzuigerrobot en de ontmijner Packbot geleid. Hij ontwikkelde ook de robot Baxter. Voor 22.000 dollar is dat een relatief goedkope robot die makkelijk in te schakelen is voor repetitief werk in een kmo die geen dure robots kan kopen. Baxter is soepel, leert aan wat je hem leert zodat je niet telkens moet herprogrammeren en kan sociaal 'communiceren', door bijvoorbeeld aan te geven of hij iets heeft begrepen. Onze protheses in het lab zien er niet uit maar werken wel. Daarna heb je spelers nodig die de overgang naar de markt waarmaken. Die hebben we nauwelijks."

Uitdagingen op veel vlakken

Zijn werk ziet Vanderborght wel liever niet ten goede komen van legers, "maar ik volg wel met argusogen wat DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, het laboratorium van het Amerikaans leger, nvdr) doet. Zij schreven tien jaar geleden een wedstrijd voor robots uit die uiteindelijk heeft geleid tot de auto zonder bestuurder van Google. Nu is er een nieuwe uitdaging: robots die zo goed mogelijk tussenkomen bij rampen. Eind 2014 zal een rampgebied worden nagebootst en moeten de robots naar de plek rijden, een ladder opklimmen, een klep dichten, met een object door een muur slaan en over onregelmatig terrein lopen. Een van de beste humanoids nu, Atlas, dient als standaardmodel. De uitdaging is enorm."

"En wat ons interesseert: nadat de wedstrijd was uitgeschreven, realiseerden ze zich bij DARPA dat de aandrijving van robots te zwak is om dat soort prestaties neer te zetten. Een ramprobot moet lange dagen kunnen kloppen en zo sterk en efficiënt mogelijk zijn. Dus is nog een deelwedstrijd uitgeschreven voor betere aandrijving, exact wat wij ook proberen. Iedereen is razend benieuwd en in het begin zal van alles misgaan. Heel wat robots gaan vallen en blunderen op het testterrein."

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234