Heb je je ooit voorgesteld hoe je in een gigantisch robotpak klimt en vecht, nou ja, of zware voorwerpen optilt, auto's omdraait? De filmpjes laten zien dat dit een betaalbaar genot is. In feite kan het een enorme uitdaging zijn om zo'n apparaat op basis van een blauwdruk te maken.
Al decennia lang zijn we eraan gewend geraakt te denken dat het slagveld van de toekomst er precies zo uit zal zien: gigantische robots waarin mensen zitten (of beter niet zitten). Deze gigantische monsters - beter bekend als 'Mechs - zijn een soort synopsis geworden voor de oorlogen van de toekomst. Bestuurde robots verschenen voor het eerst in Japanse anime, maar migreerden al snel via allerlei series naar de westerse wereld. Hollywood-films zoals Aliens, Avatar en Pacific Rim hebben uitstekend laten zien hoe het eruit zou moeten zien.
Films zijn films, maar hoe reëel zijn dergelijke projecten in werkelijkheid? Wanneer zullen we mensen gigantische robots zien besturen?
Jordan Weissman van Harebrained Schemes maakte BattleTech-games met Mech-thema in de jaren tachtig. Hij nam een relatief nuchtere benadering toen hij zijn Mechs bedacht in vergelijking met eerdere voorbeelden. Jordan stelde mechs voor die waren opgebouwd uit een stalen frame omgeven door elektrisch geladen kunstmatige spieren die gewrichten bewegen, met een gyroscopische stabilisator en een krachtcentrale aan boord.
Jordan's fundamentele boodschap is duidelijk genoeg. Kunstmatige spieren waren tot op zekere hoogte als elektroactieve polymeren. "De elektrische stralen die uitzetten of samentrekken wanneer elektriciteit werd doorgegeven, waren de spieren in onze balg", zegt Weissman. "Dertig jaar later wordt hetzelfde materiaal nu gebruikt bij de ontwikkeling van prothesen."
Een van de redenen waarom de menselijke vorm ontwerpers aantrekt, is het speciale ergonomische ontwerp. "Menselijke anatomie is ongelooflijk effectief om over rotsen en wegen te lopen", legt Rob Buckingham, directeur van Race bij het Culham Science Center, uit. 'Kijk maar naar een soldaat die meerdere keren zijn eigen gewicht over elk terrein kan dragen.' Het lopen op twee benen vereist echter speciale behendigheid en het bewaren van het evenwicht kan erg moeilijk zijn.
En hoe bedien je een reus van drie meter? Professor Setu Vijayakumar van het Edinburgh Robotics Centre stelt een combinatie voor van teleoperatie en een automatisch systeem dat reageert op de bedoeling van de piloot. “Intentie op hoger niveau zal van de machinist komen, maar er zal veel controle op laag niveau in het platform worden ingebouwd, zoals het bewaren van het evenwicht tijdens het lopen”, zegt Setu.
Promotie video:
In feite zal het maken van een door mensen bestuurde tweevoetige mech gemakkelijker zijn dan het maken van een op zichzelf staande mech. “Dit is een volkomen haalbare technologie. Waarschijnlijker dan een autonoom systeem, aangezien een volledig autonoom systeem veel problemen heeft in termen van zintuiglijke en contextuele besluitvorming."
Voor elk type telecontrolesysteem is echter een communicatieplatform nodig dat fraudebestendig en fouttolerant is en dat 500.000 bewerkingen per seconde kan verwerken.
Er is ook de vraag op welke energie de vacht zal werken. Weissman dacht dat de BattleTech Mechs op fusiereactoren zouden draaien, maar gezien de huidige fabrieksfusiereactoren is dit onwaarschijnlijk. De 'Mechs aan de Pacific Rim gebruikten conventionele kernsplijtingsreactoren, die weliswaar een hoog vermogen leveren, maar buitengewoon onveilig zijn. "Batterijtechnologie en energiedichtheid blijven theoretisch mogelijk achter", zegt Setu. "Er is onderzoek gaande, maar het staat nog in de kinderschoenen wat betreft wat er kan worden gedaan."
De pilot voorzien van contextuele informatie en situationeel bewustzijn is een andere uitdaging. "We hebben vooruitgang geboekt met realtime bedieningselementen zoals balans", zegt Setu. "Het probleem is dat we weten hoe we het moeten doen, maar als we met sensoren uit de echte wereld werken, zal elke kleine afwijking in de sensoren het systeem uitschakelen."
Trillingsfeedback - zoals die op joysticks in games - is handig om te bepalen of je iets aanraakt of niet. Maar als de piloot extra sensaties krijgt die context toevoegen aan wat de robot ervaart, bestaat het risico dat de piloot wordt overweldigd met onnodige informatie.
Hoe meer je iets bouwt, hoe zwaarder het natuurlijk wordt. De druk die op een oppervlak wordt uitgeoefend, is de kracht gedeeld door het oppervlak. Als je een tweevoetig systeem hebt, zoals een vacht, is de meeste massa geconcentreerd in de twee benen. Dit creëert een "haarspeldeffect" waarbij al het gewicht op een klein gebied wordt geconcentreerd. "Als je een vrouw neemt en haar allemaal op een halve centimeter in een naaldhak concentreert, kan ze door een behoorlijke hoeveelheid materiaal slaan", zegt Weissman.
De Duitsers hadden te maken met een soortgelijk probleem bij het ontwikkelen van de superzware muistank tijdens de Tweede Wereldoorlog. Met een gewicht van 188 ton slaagde hij goed voor de tests op gewapend beton, maar bij de eerste veldtest bleef hij in de grond steken.
Een ander probleem is om de vacht te laten lopen. De gyro-stabilisator stelt machines zoals cruiseschepen al in staat zichzelf in evenwicht te brengen. Niettemin is het lopen een zeer onstabiel proces. Mensen lopen door naar voren te stappen en hun gewicht op hun benen te plaatsen. En hoe hoger het object, hoe moeilijker het is om te balanceren.
Kurata's ontwikkeld door Suidobashi Heavy Industry en Mark-2 ontwikkeld door MegaBots, beide geclaimd als 'Mechs. Hoewel ze allebei de menselijke vorm nabootsen, vertrouwen de robots op beweging op wielen in plaats van op tweevoetige beweging. Een probleem is dat het imiteren van de menselijke vorm - die een goed verdeeld systeem van gewicht en energie heeft - een uitdaging is voor ingenieurs.
De motoren in elk gewricht kunnen het probleem oplossen, maar voor een dergelijke oplossing zijn zware motoren nodig om de rest van het lichaam te ondersteunen. De motoren zijn relatief zwaar, waardoor er veel gewicht in de gewrichten wordt geconcentreerd en het voor de vacht moeilijker wordt om in balans te blijven.
Het onderzoek naar pneumatische spieren vordert, maar voor elk gewricht zijn er twee nodig. “Van pneumatische spieren kun je iets maken met vijf gewrichten”, zegt Setu. "Maar als je ze probeert samen te voegen tot een tweebenig systeem, gaat alles naar de hel op het gebied van elektronica, routing en bedrading."
We zijn al begonnen met de productie van balgen met het prototype Assist Suit AWN-03 exoskelet van ActiveLink. Dit steunpak wordt ontwikkeld als oplossing voor het tekort aan arbeidskrachten dat kan ontstaan bij vergrijzing. Vorkheftrucks en liften zijn niet voor alle situaties geschikt. "Er zijn enkele geïsoleerde velden die niet kunnen worden gemechaniseerd, en industriële arbeiders zullen nog steeds zelf zware voorwerpen moeten dragen", zegt Hiromichi Fujimoto, president van ActiveLink.
De volgende stap in het Assist Suit zal zijn om het gewicht en de productiekosten te verlagen en vervolgens een model te ontwikkelen voor zwaarder werk. Het nieuwe assistentiepak kan voorwerpen tillen die een persoon anders niet alleen zou kunnen tillen.
Op een dag zullen we door mensen bestuurde exoskeletten hebben voor het verplaatsen van lasten en mogelijk zware constructies. Maar gigantische 'Mechs die over gebouwen stappen, blijven nog steeds kaskraker. "In fictie ziet het er allemaal mooi uit, maar als je het over praktisch militair transport hebt, wil je waarschijnlijk niet dat het groot is", zegt Weissman.
"In zekere zin is alle technologie er al", zegt Setu. "We zullen humanoïde mechs maken als we ze kunnen gebruiken." Alleen sciencefictionschrijvers geven erom of ze twee armen en twee benen zullen hebben."
ILYA KHEL
