Materialen kunnen leren, aanpassen en bewegen zonder “brein” (video)

De nieuwe metamaterialen kunnen elke vorm aanleren – hier hebben ze geleerd om de letters van ‘learn’ en ‘leren’ te vormen. Afbeelding: Yao Du et al.

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam presenteerden In een nieuwe publicatie in Nature Physics hun bevindingen.

Waar traditionele materialen altijd op dezelfde manier reageren op krachten, en robots meestal vooraf geprogrammeerd gedrag vertonen, onderscheiden levende systemen zich juist door hun aanpassingsvermogen. Denk aan cellen of eenvoudige organismen zonder hersenen: zij reageren flexibel op hun omgeving. Geïnspireerd door dit principe ontwikkelden de onderzoekers synthetische materialen die zonder centraal brein kunnen leren en zich aanpassen.

De wormachtige metamaterialen leren geleidelijk nieuwe vormen aan door training met voorbeelden. Opvallend is dat ze vormen niet alleen kunnen aanleren, maar ook kunnen vergeten en opnieuw leren. Ze zijn bovendien in staat meerdere vormen tegelijk te onthouden en daartussen te schakelen. Hierdoor kunnen ze complexe taken uitvoeren, zoals objecten grijpen en zichzelf voortbewegen (locomotie).

Volgens eerste auteur Yao Du ligt de kracht van het systeem in het leervermogen: zodra het materiaal begint te leren, lijken de mogelijkheden voor verdere ontwikkeling vrijwel onbeperkt.

De materialen bestaan uit ketens van identieke, gemotoriseerde scharnieren die verbonden zijn door een elastisch skelet. Elk scharnier beschikt over een microcontroller die de buiging meet, eerdere bewegingen opslaat en informatie uitwisselt met naburige scharnieren. Op basis van deze informatie kan elk onderdeel een rotatiekracht uitoefenen, waardoor zowel de stijfheid als de voorkeursstand verandert. Zo leert het materiaal nieuwe vormen aannemen.

Van vaste vormen naar dynamisch gedrag
Dit onderzoek bouwt voort op eerder werk van het Machine Materials Lab, waarin zogenoemde ‘hersenloze’ objecten zelfstandig konden bewegen over onvoorspelbaar terrein. Die systemen konden echter nog geen nieuw gedrag leren of onthouden.

De volgende stap is ambitieuzer: onderzoekers willen materialen ontwikkelen die niet alleen een vaste vorm leren, maar ook tijdsafhankelijk gedrag. Denk aan materialen die afhankelijk van de omgeving kunnen kiezen tussen kruipen of rollen. Daarnaast willen ze onderzoeken hoe deze systemen omgaan met onzekerheid en ruis, waarbij het gedrag minder voorspelbaar en meer probabilistisch wordt. Dit zou de flexibiliteit en robuustheid in complexe situaties verder vergroten.

Video: Samenvatting van het onderzoek: Een robotisch metamateriaal dat dankzij training leert om van vorm te veranderen. Het materiaal kan complexe vormen leren, de een na de ander of tegelijkertijd, en zelfs ‘levensechte’ bewegingen uitvoeren. Credit: Yao Du.