Robots gebruiken AI om ‘pijn’ te voelen en zichzelf te repareren

Robots zijn een stap dichter bij het zijn van levende wezens met een nieuwe ontwikkeling op het gebied. Wetenschappers van de Nanyang Technological University in Singapore (NTU Singapore) hebben een AI-systeem ontwikkeld dat het mogelijk maakt voor robots om pijn te herkennen en zichzelf te repareren.

Het nieuw ontwikkelde systeem is afhankelijk van AI-geactiveerde sensorknooppunten, die ‘pijn’ verwerken en daarop reageren. Deze pijn wordt geïdentificeerd wanneer er druk wordt uitgeoefend door een externe fysieke kracht. Het andere belangrijke onderdeel van het systeem is zelfreparatie. De robot kan de schade repareren wanneer het een kleine ‘blessure’ betreft, zonder dat er menselijke interventie nodig is.

Het onderzoek werd in augustus gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De meeste robots in de wereld ontvangen informatie over hun directe omgeving via een netwerk van sensoren. Deze sensoren verwerken echter geen informatie, maar sturen de informatie naar een centrale verwerkingseenheid. Deze centrale verwerkingseenheid is waar het leren plaatsvindt, en het betekent dat de huidige robots veel draden nodig hebben. Dit systeem resulteert in langere responstijden.

Bovendien zijn deze robots vaak gemakkelijk beschadigd en vereisen veel onderhoud en reparatie.

Het nieuwe systeem

In het door de wetenschappers ontwikkelde systeem is de AI ingebed in het netwerk van sensorknooppunten. Er zijn meerdere kleinere en minder krachtige verwerkingseenheden, waar de sensorknooppunten mee zijn verbonden. Deze opstelling maakt het mogelijk om lokaal te leren, waardoor de hoeveelheid draden en de responstijd worden verminderd. Specifiek wordt de responstijd met vijf tot tien keer verminderd in vergelijking met conventionele robots.

Het zelfreparatiesysteem komt voort uit de introductie van een zelfhelend ionengelmateriaal in het systeem. Dit maakt het mogelijk voor robots om mechanische functies te herstellen wanneer ze beschadigd zijn, zonder de hulp van mensen.

Associate Professor Arindam Basu is co-auteur van de studie. Hij komt van de School of Electrical & Electronic Engineering.

“Om robots samen te laten werken met mensen, is een van de zorgen hoe we kunnen garanderen dat ze veilig met ons zullen interacteren. Daarom hebben wetenschappers over de hele wereld manieren gevonden om een gevoel van bewustzijn bij robots te brengen, zoals het kunnen ‘voelen’ van pijn, om daarop te reageren en om harde omstandigheden te doorstaan. Echter, de complexiteit van het samenstellen van de vele sensoren die nodig zijn en de resulterende kwetsbaarheid van een dergelijk systeem vormt een grote barrière voor brede toepassing.”

Volgens Basu, die ook een expert is in neuromorfische computing, “Heeft ons werk de haalbaarheid van een robotisch systeem aangetoond dat in staat is om informatie efficiënt te verwerken met minimale bedrading en circuits. Door het aantal elektronische componenten dat nodig is te verminderen, moet ons systeem betaalbaar en schaalbaar worden. Dit zal helpen om de adoptie van een nieuwe generatie robots op de markt te versnellen.”

De robot leren pijn te voelen

Om de robot te leren pijn te voelen, vertrouwden de onderzoekers op memtransistors, die als ‘hersengeïnspireerde’ elektronische apparaten fungeren. Deze apparaten hebben geheugen en informatieverwerking, waardoor ze als kunstmatige pijnreceptoren en synapsen fungeren.

De studie toonde aan hoe de robot kon blijven reageren op druk, zelfs nadat het beschadigd was. Na een ‘blessure’, zoals een snee, verliest de robot mechanische functie. Dat is wanneer het zelfhelende ionengel ingrijpt en de robot ‘geneest’, door het eigenlijk aan elkaar te naaien.

Rohit Abraham John is de eerste auteur van de studie en onderzoeker aan de School of Materials Science & Engineering van NTU.

“De zelfhelende eigenschappen van deze nieuwe apparaten helpen het robotische systeem om zichzelf herhaaldelijk aan elkaar te naaien wanneer het ‘gewond’ is met een snee of krab, zelfs bij kamertemperatuur”, zegt John. “Dit imiteert hoe ons biologisch systeem werkt, net zoals de manier waarop de menselijke huid zichzelf geneest na een snee.”

“In onze tests kan onze robot ‘overleven’ en reageren op onopzettelijke mechanische schade die voortkomt uit kleine blessures zoals krassen en stoten, terwijl hij effectief blijft werken. Als een dergelijk systeem zou worden gebruikt met robots in de echte wereld, kan het bijdragen aan besparingen op onderhoud.”

Volgens associate professor Nripan Mathews, die co-auteur is van de studie en afkomstig is van de School of Materials Science & Engineering van NTU, “Voeren conventionele robots taken uit in een gestructureerde, programmeerbare manier, maar de onze kunnen hun omgeving waarnemen, leren en gedrag aanpassen. De meeste onderzoekers richten zich op het maken van steeds gevoeligere sensoren, maar letten niet op de uitdagingen van hoe ze effectieve beslissingen kunnen nemen. Een dergelijk onderzoek is noodzakelijk voor de volgende generatie robots om effectief met mensen te interacteren.”

“In dit werk heeft ons team een benadering gevolgd die afwijkt van de gebruikelijke weg, door nieuwe leermaterialen, apparaten en fabricagemethoden toe te passen om de menselijke neurobiologische functies na te bootsen. Hoewel het nog in een prototypefase zit, hebben onze bevindingen belangrijke kaders gelegd voor het veld, en wijzen de weg voor onderzoekers om deze uitdagingen aan te pakken.”

Het onderzoeksteam zal nu partners in de industrie en overheidsonderzoeksinstellingen benaderen om het systeem verder te ontwikkelen.