Termitas robóticas autómatas son capaces de construir edificios

Según describen los autores en un trabajo publicado en la revista Science, el usuario sólo tiene que especificar la estructura que desea y el sistema de termitas robóticas se pone trabajar elaborando de forma autónoma sencillas normas que les permitan llevar a cabo la construcción

La idea es vieja, casi tanto como la propia Literatura. Pero tan compleja de llevar a la práctica que ha estado milenios durmiente sin que su atractivo pudiese vencer las limitaciones de la tecnología. Quizá los replicantes del Blade Runner de Ridley Scott sean los autómatas usados por el ser humano para trabajar que mayor fama han alcanzado. Pero las referencias a este sueño son tan viejas como la imaginación.

Los robots pueden construirse escaleras para llegar a los siguientes puntos de la construcción, y saben cómo agregar ladrillos que impulsen la construcción sin bloquear caminos importantes. (Foto de Eliza Grinnell, MARES Comunicaciones.)

Ya la vieja leyenda griega de Los Argonautas describe como los marineros crean un perro autómata para que cuidase de su navío en su ausencia. Un esqueleto de plata capaz de tomar sus propias decisiones sirve las copas y recoge los platos sobre la mesa de uno de los festines del Satiricón de Petronio, escrito en el Imperio Romano durante los primeros años después de Cristo. Y las referencias serían interminables desde el Romanticismo alemán encarnado por la mágica literatura de E. T. A. Hoffmann (El hombre de arena) hasta la taquillera película de James Cameron Terminator.

Pero donde no hay tantas referencias es en la ciencia sin ficción. La resolución de problemas de forma autómata supone uno de los grandes retos para la robótica actual. El simple hecho de tomar consciencia de un espacio (como una habitación) es algo que los seres humanos con visión hacemos sin darnos cuenta, pero no es cuestión baladí para un robot. Y lo mismo sucede con el desarrollo de tareas como las de construcción. Pero esto está empezando a cambiar también en los laboratorios de robótica y de ingeniería. El último éxito acaba de realizarse en la Universidad de Harvard, donde un equipo científico ha creado pequeños robots inspirados en las termitas y su forma de trabajar capaces de construir estructuras complejas de forma autónoma, sin seguir planos ni complicadas directrices indicadas por un cerebro central que dirija la operación.

Según describen los autores en un trabajo publicado en la revista Science, el usuario sólo tiene que especificar la estructura que desea y el sistema de termitas robóticas se pone manos a la obra elaborando de forma autónoma sencillas normas que les permitan llevar a cabo la construcción.

Los robots sólo usan siete sensores infrarrojos para detectar los patrones blancos y negros que tienen los ladrillos y poder operar con ellos. Después están dotados de un sistema que les permite escalar por la propia estructura que ellos mismos van creando y de cinco sensores ultrasónicos para evaluar su propia posición y mantener la distancia en el perímetro del ‘edificio’.

Las termitas robot

En las llanuras de Namibia, millones de diminutas termitas construyen un montículo de tierra, un «pulmón» de 2,4 metros de alto, para su nido subterráneo. Durante un año de construcción, muchas termitas vivirán y morirán, el viento y la lluvia erosionarán la estructura, y, sin embargo el proyecto para prolongar la vida de la colonia continuará.

Inspirado por la capacidad de recuperación de las termitas y la inteligencia colectiva, un equipo de científicos de computación e ingenieros de la Escuela de Harvard de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) y el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente en la Universidad de Harvard ha creado un equipo de construcción robótica autónoma. El sistema no necesita ningún supervisor, ningún ojo en el cielo, y no hay comunicación: robots, la cantidad que se quiera de robots, cooperan modificando su entorno.

El sistema TERMES de Harvard demuestra que los sistemas colectivos de robots pueden construir estructuras complejas, tridimensionales, sin necesidad de ningún comando central o roles prescritos. Los resultados del proyecto de cuatro años fueron presentados esta semana en la reunión anual de la AAAS 2014 y se publicaron en la edición del 14 de febrero de Science.

Los robots TERMES pueden construir torres, castillos y pirámides de ladrillos de espuma, de manera autónoma se construyen a sí mismos escaleras para llegar a los niveles más altos y agregar ladrillos donde se los necesite. En el futuro, los robots similares podrían poner sacos de arena antes de una inundación, o llevar a cabo tareas simples de construcción en Marte.

«La inspiración clave que tomamos de las termitas es la idea de que puedes hacer algo realmente complicado como grupo, sin un supervisor, y en segundo lugar que lo puedes hacer sin que todos discutan explícitamente lo que está pasando, sino sólo modificando el medio ambiente», dice la investigadora principal Radhika Nagpal , profesora de Ciencias de la Computación en la Universidad de Harvard SEAS. Ella también es un miembro clave de la facultad en el Instituto Wyss, donde co-dirige la plataforma Robótica Bioinspirada.

La mayoría de los proyectos de construcción humanos de la actualidad son realizados por trabajadores entrenados en una organización jerárquica, explica el autor principal Justin Werfel, un miembro del personal científico en robótica bioinspirada en el Instituto Wyss y ex estudiante postdoctoral de SEAS.

Los robots TERMES pueden transportar ladrillos, construir escaleras, y subir a añadir ladrillos a una estructura, siguiendo las reglas de bajo nivel para completar de forma independiente un proyecto de construcción. (Foto de Eliza Grinnell, MARES Comunicaciones)

«Normalmente, al principio, usted tiene un plan y un plan detallado de cómo ejecutarlo, y el capataz va y dirige a su equipo, supervisando como lo hacen», dice. «En las colonias de insectos, no es como si la reina les estuviese dando todas las instrucciones individuales. Cada termita no sabe lo que las otras están haciendo, o cuál es la actual situación general del montículo.»

En cambio, las termitas se basan en un concepto conocido como estigmergia, una especie de comunicación implícita: observan los cambios de las demás en el medio ambiente y actuan en consecuencia. El equipo de Nagpal ha diseñado los robots para hacer eso, con resultados impresionantes. Los vídeos complementarias publicados con el artículo científico muestran a los robots que cooperan para construir varios tipos de estructuras e incluso se recuperan de cambios inesperados en las estructuras durante la construcción.

Cada robot ejecuta su proceso de construcción en paralelo con los demás, pero sin saber quién más está trabajando al mismo tiempo. Si un robot se rompe o tiene que salir, no afecta a los demás. Esto también significa que las mismas instrucciones pueden ser ejecutadas por cinco robots o quinientos. El sistema TERMES es una importante prueba de concepto para la inteligencia artificial escalable y distribuida.

El Grupo de Investigación de Sistemas Auto Organizados de Nagpal se especializa en algoritmos distribuidos que permiten que grupos muy grandes de robots actúen como una colonia. La clave para el éxito del equipo es una conexión estrecha entre los científicos informáticos, ingenieros eléctricos y biólogos de Harvard. Crearon un enjambre de amigables Kilobots hace unos años, y están contribuyendo con conocimientos de inteligencia artificial para el proyecto RoboBees en curso, en colaboración con los miembros de la facultad de Harvard Robert J. Wood y Gu-Yeon Wei.

«Cuando se reúnen muchos agentes —sean termitas, abejas, o robots— a menudo emerge algún interesante comportamiento de nivel superior, que no podrías predecir mirando los componentes por sí mismos», afirma Werfel. «En términos generales, estamos interesados en conectar lo que sucede a nivel bajo, con reglas individuales de agentes, con estos resultados emergentes.»

La coautora Kirstin Petersen, estudiante graduado en la Universidad de Harvard SEAS con una beca del Instituto Wyss, encabezó el diseño y construcción de los robots y los ladrillos TERMES. Estos robots pueden realizar todas las tareas necesarios de cargar los bloques, subir a la estructura, fijar los bloques, y así sucesivamente, con sólo cuatro tipos simples de sensores y tres actuadores.

«Nosotros co-diseñamos los robots y los ladrillos en un esfuerzo por hacer el sistema tan minimalista y confiable como sea posible», dice Petersen. «Esto no sólo ayuda a que el sistema sea más robusto, sino que también simplifica en gran medida la cantidad de computación requerida en el procesador a bordo. La idea no es sólo reducir la cantidad de errores de pequeña escala, sino más aún detectar y corregir antes de que se propaguen errores que pueden ser fatales para todo el sistema».

En contraste con el sistema TERMES, actualmente es más común que los sistemas robóticos dependan de un controlador central. Normalmente, estos sistemas se basan en un «ojo en el cielo» que puede ver todo el proceso, o en que todos los robots sean capaces de hablar el uno con el otro con frecuencia. Estos enfoques pueden mejorar la eficiencia del grupo y ayudar al sistema a recuperarse de problemas de forma rápida, pero a medida que la cantidad de robots y el tamaño de su territorio aumenta, estos sistemas se vuelven más difíciles de manejar. En ambientes peligrosos o remotos, un controlador central que presente un único punto de falla podría hacer caer todo el sistema.

«Puede ser que al final quieras algo entre el sistema centralizado y el descentralizado, pero hemos demostrado el extremo de la escala, que podría ser como las termitas», dice Nagpal. «Y desde el punto de vista de las termitas, está funcionando muy bien.»

Esta investigación fue apoyada por el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente en la Universidad de Harvard.

Fuente: Harvard. Aportado por Eduardo J. Carletti

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