Chemie als besturingssysteem voor robots

De armen van een octopus kunnen zelfstandig 'denken'. Zulke systemen zouden robots kunnen helpen zich snel aan hun omgeving aan te passen. | Beeld van Markus Kammermann via Pixabay.

‘Slimme materialen worden vaak ontworpen door ingenieurs, die daarbij meestal componenten gebruiken die al beschikbaar zijn. Als synthetisch chemicus kan ik de componenten die ik nodig heb zelf ontwerpen en maken.’

Lerch werd opgeleid als synthetisch-organisch chemicus in het lab van Ben Feringa, waar hij werkte aan moleculaire motoren en schakelaars. Tijdens zijn tijd als postdoctoraal onderzoeker aan Harvard University in de Verenigde Staten raakte hij gefascineerd door de manier waarop de natuur functionele materialen opbouwt.

‘Een auto bestaat uit zo’n dertigduizend afzonderlijke onderdelen. Biologische materialen daarentegen bestaan uit grote aantallen samenwerkende cellen.’

Armen die zelfstandig reageren
Hoewel hij chemicus is, heeft Lerch een bijzondere interesse in robotica. De huidige robots vindt hij vaak groot en onhandig. ‘Een gemiddelde robot heeft allerlei sensoren om de omgeving te scannen en motortjes om te bewegen. Alles wordt aangestuurd door een centrale computer. Maar zo’n robot kan alleen uitvoeren wat vooraf in die computer is geprogrammeerd.’

In de natuur werkt dat anders. Een octopus heeft weliswaar een centraal brein, maar zijn armen kunnen grotendeels zelfstandig reageren. Ook het menselijk lichaam kent zulke gedecentraliseerde systemen. ‘Als je struikelt, voorkomt een lokaal reflexsysteem dat je valt.’

Het brein bepaalt waar we naartoe willen, maar lokale systemen zorgen ervoor dat ons lichaam zich razendsnel aanpast aan wat er onderweg gebeurt. Volgens Lerch kunnen robots op een vergelijkbare manier flexibeler en responsiever worden.

Een chemisch besturingssysteem
Maar hoe bouw je zo’n decentraal systeem? Lerch zoekt het antwoord niet in computerchips, maar in chemische reacties.

‘We hebben bijvoorbeeld moleculen, mechanoforen genaamd, die reageren op uitrekking of druk.’ Wanneer zo’n molecuul wordt geactiveerd, kan het een reeks andere chemische reacties in gang zetten. Lerch vergelijkt dat met een Rube Goldberg-machine: één gebeurtenis zet een hele keten van gebeurtenissen in werking, die uiteindelijk een specifieke beweging veroorzaakt.

Door die reacties zorgvuldig te ontwerpen, kunnen ze meer dan alleen beweging genereren. Ze kunnen ook informatie opslaan, berekeningen uitvoeren of zelfs een bepaalde reeks bewegingen programmeren.

Lerch kan inmiddels met dit chemische equivalent van een computerprogramma bewegingen genereren op een schaal van enkele tienden van een millimeter. Dat is een flinke uitdaging: conventionele besturingsmechanismen zijn op zo’n kleine schaal nauwelijks toepasbaar.

Juist daarom kan deze aanpak interessant zijn voor micro-robots die te klein zijn om computerchips te bevatten. Bovendien kan het chemische besturingssysteem lokaal reageren op signalen uit de omgeving.

Een robothand zou bijvoorbeeld een sensor kunnen hebben die detecteert dat een voorwerp zacht is. In plaats van die informatie eerst naar een centrale computer te sturen, kan een lokaal chemisch signaal direct de grijpkracht aanpassen.

Zo wil Lerch robots ontwikkelen die niet alleen kleiner en soepeler bewegen, maar ook een deel van hun ‘denkwerk’ aan het materiaal zelf overlaten.