21/06/2021
Door Liam van Koert
Natuurlijke evolutie heeft onze planeet gevuld met een enorme variatie in levensvormen, met ongeveer 8 miljoen soorten die zich op talloze manieren aan hun omgeving hebben aangepast. Ook 100 jaar nadat Karel Čapek de term robot bedacht, overtreffen de functionele mogelijkheden van veel soorten nog steeds de mogelijkheden van de huidige menselijke bouwsels. Engineers hebben nog steeds geen overtuigende methoden ontwikkeld om robots te produceren die intelligentie van menselijk niveau vertonen, zich naadloos voortbewegen en opereren in moeilijke omgevingen, en in staat zijn tot robuuste zelfreproductie.
Kunnen robots zich ooit voortplanten? Dit vormt ongetwijfeld een pijler van het "leven" zoals dat door alle natuurlijke organismen wordt gedeeld. Een team onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk en Nederland heeft onlangs een volledig geautomatiseerde technologie gedemonstreerd waarmee fysieke robots zich herhaaldelijk kunnen voortplanten, waarbij hun kunstmatige genetische code in de loop van de tijd evolueert om zich beter aan hun omgeving aan te passen. Men zou kunnen stellen dat dit neerkomt op kunstmatige evolutie. Kindrobots worden gemaakt door het digitale "DNA" van twee ouderrobots op een computer te mengen.
Het nieuwe ontwerp wordt eerst naar een 3D-printer gestuurd die het robotlichaam fabriceert, waarna een robotarm een "brein" bevestigt dat is geladen met besturingssoftware die is geërfd van de ouders, samen met eventuele nieuwe componenten, zoals sensoren, wielen of gewrichten, die door dit "evolutionaire" proces zijn geselecteerd. Van elke nieuwe robot wordt ook een digitale replica gemaakt in een computersimulatie. Dit maakt een nieuw soort evolutie mogelijk: nieuwe generaties kunnen worden geproduceerd uit een samenvoeging van de meest succesvolle eigenschappen van een virtuele "moeder" en een fysieke "vader", waarbij de voordelen van een snelle maar potentieel onrealistische gesimuleerde evolutie worden gecombineerd met de meer nauwkeurige beoordeling van robots in een echte fysieke omgeving. De nieuwe robots erven dus eigenschappen die het beste van beide soorten evolutie vertegenwoordigen.
Robots fokken
Hoewel deze technologie kan werken zonder dat er een mens aan te pas komt, kan er ook worden samengewerkt met een menselijke "fokker": net zoals de mens sinds het ontstaan van de landbouw gewassen selectief heeft veredeld, zou de robotfokker de selectie van robots met bepaalde eigenschappen kunnen beïnvloeden. Men zou zich zelfs fokkerijen kunnen voorstellen, waar robots worden geproduceerd die zijn aangepast aan specifieke omstandigheden en gebruikerseisen. Ze zouden kunnen worden veredeld op kwaliteiten als levensduur van de batterij of koolstofvoetafdruk, net zoals we planten veredelen op droogtebestendigheid of smaak.
Dergelijke landbouwbedrijven moeten aan dezelfde strenge controles en ethische overwegingen worden onderworpen als bijvoorbeeld het kweken van genetisch gemodificeerde gewassen, bijvoorbeeld door het mogelijk te maken dat een hele fabriek met één druk op de knop kan worden stilgelegd, of door de aanvoer van grondstoffen te beperken. Voorts moet ook rekening worden gehouden met de mogelijkheid dat de evolutie ertoe leidt dat robots kwaadaardig of schadelijk gedrag gaan vertonen en moeten passende preventieve maatregelen worden genomen.
Het idee van digitale evolutie - het nabootsen van biologische evolutie in software om mettertijd steeds betere oplossingen voor een probleem te kweken - is niet nieuw. Het gaat terug tot de jaren zestig van de vorige eeuw, toen ingenieurs in Duitsland een computer programmeerden om het optimale ontwerp van een scharnierplaat onderhevig aan een turbulente luchtstroom te ontwikkelen. Sindsdien zijn "evolutionaire algoritmen" in een computer gebruikt om van alles te ontwerpen, van tafels tot turbinebladen, door het evolutionaire proces eenvoudigweg te vertellen welke metriek het moet trachten te optimaliseren (bijvoorbeeld het vermogen dat door het turbineblad wordt gegenereerd). In 2006 stuurde Nasa een satelliet de ruimte in met een communicatieantenne die middels kunstmatige evolutie was ontworpen.
Evolutie is creatief
We staan nu op een doorbraakmoment. Hoewel wetenschappers er altijd vertrouwen in hebben gehad dat digitale evolutie effectief zou kunnen zijn als optimalisatie-instrument, blijkt het ook creatief. Dat biologische evolutie creatief is, is duidelijk zichtbaar in de natuurlijke wereld. In het Cubaanse regenwoud hebben wijnstokken bladeren ontwikkeld in de vorm van satellietschotels die de echolokatiesignalen van vleermuizen de bloemen te leiden, waardoor de bestuiving toeneemt. In de ijskoude Zuidelijke Oceaan maken vissen hun eigen "antivries"-eiwitten om te overleven.
Maar er zijn ook talrijke voorbeelden van creativiteit in digitale evolutie waargenomen. Op de vraag hoe een robot met zes poten zich moest gedragen om te kunnen lopen, zelfs als hij beschadigd was, ontdekte de digitale evolutie verschillende manieren om te lopen waarbij slechts een deel van de poten werd gebruikt, en zelfs een manier waarop de robot zich kon voortbewegen als alle poten waren afgebroken, door op zijn rug te schuifelen. In een ander geval evolueerde het een elektronisch circuit op een chip waarbij elementen van het circuit werden losgekoppeld, gebruik makend van elektromagnetische koppelingseffecten die specifiek zijn voor gebreken in het silicium op de chip zelf.
Digitale evolutie wordt nu toegepast op gebieden waarvan we denken dat ze uniek zijn voor de mens, bijvoorbeeld bij het maken van muziek en kunst (er werd zelfs een prijs gewonnen in een kunstwedstrijd van de universiteit van Wyoming, waarbij de jury niet wist dat de winnende foto door een algoritme was gemaakt). Hoewel dit voor niet-ingewijden misschien klinkt als kunstmatige intelligentie, is digitale evolutie een specifieke subset van dat bredere gebied.
Onbekend terrein
Het idee om evolutie te gebruiken om robots te ontwerpen is bijzonder aantrekkelijk, vooral in gevallen waarin mensen weinig kennis hebben van de omgeving waarin de robot moet werken - bijvoorbeeld onderzeese mijnbouw, het opruimen van afval in een kernreactor, of het gebruik van nanorobots om geneesmiddelen in het menselijk lichaam af te leveren. In tegenstelling tot natuurlijke evolutie, die louter wordt gestuurd door de doelstellingen "overleven en voortplanten", kan kunstmatige evolutie worden gestuurd door specifieke doelstellingen. Als dit evolutieproces eenmaal op gang is gebracht, en met de hierboven geschetste technologie van een computersysteem dat een 3D-printer de opdracht geeft om verbeterde robotmodellen te maken voor deze specifieke omgevingen, hebben we het begin van een theoretisch kader voor een zichzelf in stand houdende robotpopulatie die zichzelf kan reproduceren en kan "evolueren" zonder al te veel inbreng van de mens.
Wat niet wil zeggen dat mensen overbodig zouden zijn. Digitale evolutie zal waarschijnlijk een samenwerkingsproces zijn tussen mens en machine, waarbij de mens beschrijvingen geeft van wat gewenst is, terwijl de evolutie zorgt voor het hoe. Een mens kan bijvoorbeeld vragen om een "energie-efficiënte robot van duurzame materialen om zwaar afval in een reactor te verplaatsen", waarbij de evolutie uitvogelt hoe dit kan worden bereikt. Vooruitgang op het gebied van fabricagetechnologie, waardoor geautomatiseerde en snelle prototypes van een reeks materialen, waaronder flexibele zachte kunststoffen, mogelijk zijn, heeft een belangrijke rol gespeeld bij het verbeteren van ons vermogen om de evolutie op praktische tijdschalen na te bootsen.
Levensvragen
Dit alles lijkt misschien te grenzen aan science fiction, maar er is een serieus punt. Robots hebben duidelijk een rol te spelen in onze toekomst, of het nu gaat om een revolutie in de gezondheidszorg of om taken die te gevaarlijk zijn voor mensen. We verbruiken in hoog tempo de voorraden grondstoffen op onze planeet, en de huidige fabricageprocessen verhogen de koolstofuitstoot en veroorzaken ernstige problemen bij de afvalverwijdering. Misschien zal de creativiteit van evolutionaire methoden het ontwerpen van nieuwe soorten robots mogelijk maken, ongehinderd door de beperkingen die onze kennis van techniek, fysica en materiaalkunde oplegt aan de huidige ontwerpprocessen.
Vanuit een ander perspectief hebben biologen, totdat we buitenaards leven ontdekken, slechts één "systeem" om evolutie op te bestuderen. Net zoals de Large Hadron Collider ons een instrument biedt om de fijne kneepjes van de deeltjesfysica te bestuderen, biedt een zich voortplantend systeem van robots misschien een nieuw instrument om fundamentele vragen over het leven zelf te bestuderen.
Bron: Emma Hart, The Guardian. Emma Hart is hoogleraar aan de School of Computing van de Edinburgh Napier University en lid van het Autonomous Robot Evolution: Cradle to Grave project aan de Universiteit van York