Ultrabionische robot: wat het is en hoe ver de techniek staat
Een ultrabionische robot is een machine die niet alleen op een dier of mens lijkt, maar ook zo veel mogelijk werkt zoals een levend lichaam. Waar een gewone robot beweegt op stugge motoren en tandwielen, gebruikt een ultrabionische robot onderdelen die het gedrag van spieren, huid en zenuwen nabootsen: rekbare kunstspieren die samentrekken, gevoelige kunsthuid die druk en temperatuur voelt, en besturingssystemen die reageren zoals een zenuwstelsel dat doet. Bij de meest vergaande vormen wordt zelfs echt biologisch materiaal ingebouwd, zoals levende spiercellen die de robot laten bewegen.
Een goede vergelijking is het verschil tussen een marionet en een acteur. Een marionet beweegt doordat iemand aan touwtjes trekt: functioneel, maar houterig en voorspelbaar. Een acteur beweegt soepel doordat spieren elastisch samentrekken en ontspannen, met voortdurende terugkoppeling van zintuigen. Een klassieke industriële robotarm is de marionet; een ultrabionische robot probeert de acteur te worden. Denk aan een robothand die met kunstmatige spieren een ei net zo voorzichtig oppakt als een mensenhand, zonder het te breken, puur omdat het materiaal zelf meegeeft in plaats van dat een computer elke beweging tot op de milliseconde berekent.
Wat is het precies?
De term "bionisch" verwijst van oudsher naar de combinatie van biologie en elektronica of techniek, zoals bij een bionische arm die een amputatie vervangt. "Ultrabionisch" gaat een stap verder: het beschrijft robots die zo dicht mogelijk tegen biologische systemen aan kruipen, niet alleen in uiterlijk maar ook in functie en materiaal.
Zulke robots bestaan doorgaans uit een paar bouwstenen. Ten eerste kunstspieren: materialen of mechanismen die van vorm veranderen wanneer er druk, stroom of een chemische reactie op wordt losgelaten, vergelijkbaar met hoe echte spiervezels samentrekken. Dit kan met perslucht in zachte rubberen "spierslangen", met elektroactieve polymeren die krimpen onder elektrische spanning, of in het meest extreme geval met daadwerkelijk gekweekt spierweefsel dat op een frame is bevestigd.
Ten tweede is er kunsthuid: een dunne, flexibele laag vol sensoren die druk, temperatuur en soms zelfs schade kan waarnemen, zodat de robot als het ware kan "voelen" wat hij aanraakt. Ten derde speelt zachte robotica (soft robotics) een grote rol: in plaats van harde metalen onderdelen gebruikt men rekbare, vervormbare materialen, waardoor de robot minder snel kapotgaat en veiliger is in contact met mensen. Ten slotte is er de besturing, vaak geïnspireerd op hoe het zenuwstelsel van dieren werkt, tegenwoordig steeds vaker aangevuld met kunstmatige intelligentie die patronen in bewegingen leert in plaats van dat elke stap vooraf geprogrammeerd is.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is dat de natuur na miljoenen jaren evolutie vaak efficiëntere oplossingen heeft gevonden dan techniek tot nu toe kon bedenken. Een octopusarm kan zich door een kleine spleet wringen, een vogel kan met minimale energie kilometers zweven, en een mensenhand kan zowel een ei als een moersleutel vastpakken. Onderzoekers hopen dat robots die deze eigenschappen overnemen, veelzijdiger en zuiniger worden dan starre machines.
Een tweede doel is veiligheid en samenwerking met mensen. Zachte, spierachtige onderdelen zijn van nature schokabsorberend, wat botsingen met mensen minder gevaarlijk maakt dan bij een stalen robotarm. Dat maakt deze technologie interessant voor zorgrobots, revalidatierobots en exoskeletten die mensen met een beperking helpen lopen of grijpen.
Daarnaast is er medische en wetenschappelijke motivatie: door robots te bouwen die biologische bewegingen nabootsen, leren onderzoekers ook meer over hoe spieren en zenuwen van echte organismen werken. Sommige biohybride robots (robots met levend weefsel) worden zelfs onderzocht als hulpmiddel om medicijnen gerichter door het lichaam te transporteren, al is dat nog puur experimenteel.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Duitse technologiebedrijf Festo bouwt al jaren demonstratierobots binnen zijn "Bionic Learning Network". Bekende voorbeelden zijn de BionicKangaroo (rond 2014), die met pneumatische kunstspieren elastische energie opslaat en weer vrijgeeft zoals de pezen van een echte kangoeroe bij het springen, en de BionicSwift (rond 2020), een lichtgewicht vogelrobot die autonoom door een ruimte kan vliegen. Deze robots zijn geen commerciële producten, maar showcases van wat technisch mogelijk is.
In 2016 presenteerde het Wyss Institute van Harvard University de Octobot, de eerste volledig zachte, autonome robot zonder enige harde elektronica. De octopus-achtige robot werd aangedreven door een chemische reactie die gas produceerde, en het resultaat werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Onderzoekers van de University of Vermont en Tufts University gingen in 2020 nog verder met de zogeheten Xenobots: piepkleine "robots" die niet uit metaal of plastic zijn opgebouwd, maar uit levende stamcellen van de Afrikaanse klauwkikker. Deze organismen konden zelfstandig bewegen en kregen wereldwijd aandacht als voorbeeld van hoe ver de grens tussen robot en levend wezen inmiddels vervaagt.
Aan de Case Western Reserve University in de Verenigde Staten wordt onderzoek gedaan naar biohybride robots die worden aangedreven door daadwerkelijk gekweekt spierweefsel, bevestigd op een kunstmatig skelet. En in Japan is Hiroshi Ishiguro van Osaka University bekend van zeer mensachtige androids, zoals Erica, uitgerust met kunsthuid en gezichtsuitdrukkingen die menselijke mimiek nabootsen.
Hoe ver is de techniek?
Ondanks indrukwekkende demonstraties bevindt vrijwel alle ultrabionische robotica zich nog in een experimentele of onderzoeksfase. De meeste voorbeelden hierboven zijn labprototypes of promotionele demonstratoren, geen producten die je kunt kopen. Er zijn nog stevige technische hindernissen.
Kunstspieren zijn doorgaans nog trager, minder krachtig of minder energiezuinig dan elektromotoren, waardoor ze in de praktijk vaak minder presteren dan hun biologische voorbeeld. Bij biohybride robots met echt weefsel is een groot probleem dat levende cellen voeding, zuurstof en een stabiele temperatuur nodig hebben om in leven te blijven, wat ze buiten een laboratorium nog kwetsbaar en kortlevend maakt. Ook de besturing is complex: het nabootsen van hoe een zenuwstelsel razendsnel duizenden spiervezels aanstuurt, is met de huidige computertechniek nog niet volledig gelukt.
Wel zijn losse onderdelen van deze technologie al buiten het lab te vinden. Drukgevoelige kunsthuid en zachte grijpers worden bijvoorbeeld al gebruikt in sommige industriële en zorgrobots, en exoskeletten met spierachtige actuatoren worden getest in revalidatiecentra en fabrieken. Het tempo van vooruitgang is de laatste jaren toegenomen doordat kunstmatige intelligentie helpt om complexe, flexibele bewegingen aan te sturen, maar een robot die qua kracht, souplesse en efficiëntie een levend dier evenaart, bestaat nog niet.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld is internationaal verspreid. In Duitsland is Festo een bekende naam dankzij zijn Bionic Learning Network. In de Verenigde Staten lopen belangrijke onderzoekslijnen bij het Wyss Institute van Harvard University, bij MIT CSAIL (met onder meer hoogleraar Daniela Rus op het gebied van zachte robotica), en bij Case Western Reserve University voor biohybride robots met spierweefsel. De Xenobots zijn een samenwerking tussen de University of Vermont en Tufts University.
In Europa doet ook de Zwitserse EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) veel onderzoek naar zachte en bio-geïnspireerde robotica. In Japan combineert Osaka University, met onderzoekers als Hiroshi Ishiguro, robotica met sociale en cognitieve wetenschappen om mensachtige androids te ontwikkelen. Daarnaast investeren grote industrielanden zoals de Verenigde Staten, China, Japan, Duitsland en Zuid-Korea in bredere humanoïde en zachte robotica, al richt lang niet al dat onderzoek zich specifiek op biohybride of ultrabionische systemen; veel ervan blijft dichter bij klassieke mechanische robots met geavanceerde sensoren.