Werken aan een toekomst waarin mens en robot samenwerken

Maarten Steinbuch en Elena Torta delen een grote passie voor robots. Bij Steinbuch begon dat al op jonge leeftijd. “In 1971, ik was toen elf, ben ik met mijn ouders naar het Evoluon geweest, het iconische technologiemuseum hier in Eindhoven. Als je daar binnenkwam, zag je een hele lang robotarm van vijf meter met drie microfoons. En als je wat zei, kwam die arm naar je toe. Dat vond ik echt geweldig!”

Het was het begin van een levenslange fascinatie voor slimme machines, en meer in het algemeen voor “dingen die bewegen”, zoals Steinbuch dat uitdrukt. Toen hij enkele jaren later moest kiezen wat hij wilde gaan studeren, was het al snel duidelijk dat dat werktuigbouwkunde moest worden. “Werktuigbouw combineert precies die dingen die ik leuk vind: denken met je hoofd en maken met je handen! Ik heb altijd erg van knutselen gehouden.”

Bij robots denken de meeste mensen aan mensachtige machines die rondlopen en allerlei slimme dingen kunnen doen. Maar robotica is een heel breed toepassingsgebied, dat varieert van inpakrobots bij Bol.com en zelfrijdende auto’s tot operatie-robots, en bouwrobots.

Verliefd op feedback

“Ze hebben gemeen dat het allemaal gaat om bewegende systemen die met slimme intelligentie autonome functies kunnen uitvoeren”, legt Steinbuch uit. “In robotica komen allerlei disciplines samen, van electrotechniek en werktuigbouwkunde tot informatica en natuurkunde, maar het belangrijkste is misschien nog wel de regeltechniek. Die zorgt ervoor dat de machine op basis van informatie van sensoren en slimme intelligentie zichzelf bijstuurt, zodat hij precies doet wat je wil.”

In robotica komen allerlei disciplines samen, maar het belangrijkste is misschien nog wel de regeltechniek. 

“Die feedbacklus heb ik altijd een geweldig mooi principe gevonden, daar ben ik echt verliefd op geworden. Ook omdat je het overal ziet, niet alleen bij robotica, maar ook in de mens zelf, onze suikerhuishouding is één groot regelsysteem. Hoe we luisteren, en kijken, en bewegen, dat zijn allemaal regelsystemen. Maar ook in de managementleer is het nadenken over feedbacksystemen heel belangrijk.”

Steinbuch kon zijn fascinatie voor regeltechniek onder meer botvieren in zijn promotie, waar hij uitzocht wat de beste bladstand was voor windmolens, en bij Philips, waar hij na zijn studie aan de slag ging met de draaiarm van een cd-speler.

Robbie

Was het bij Steinbuch de beweging die hem aansprak in de robot, bij Elena Torta, in 1985 geboren in Fano, Italie, was het juist de interactie tussen de robot en de mens, een aspect van de robotica dat haar nog altijd mateloos boeit.

“Toen ik 10 jaar was, las ik voor het eerst iets van Isaac Asimov, de bekende science fiction-schrijver. Ik wist toen niets van die auteur, maar ik begon te lezen, over robots die menselijke taken kunnen doen. Het verhaal ging over Robbie, een vriendelijk robotnanny die deel uitmaakt van een Amerikaans gezin. Je ziet hoe die robot meegroeit met Gloria, de dochter van het gezin, je kunt precies de ontwikkeling volgen die hij doormaakt. Daarna heb ik alle robotverhalen van Asimov verslonden.”

Het zal dan ook niet verrassen dat Torta enkele jaren later regeltechniek ging studeren. Daar kwam ze er al snel achter hoe complex robotica eigenlijk is, en dat we nog ver verwijderd zijn van de toekomstvisioenen van Asimov.

"Het is echt heel moeilijk om een machine iets autonoom te laten doen, vooral in een dynamische omgeving. Ik herken heel erg wat Maarten zegt: om tot een goede robot te komen, moeten allerlei disciplines goed samenwerken. Je hebt te maken met sensoren, met data die je uit die sensoren moet halen, met feedbacklussen, om eventuele fouten te corrigeren, je moet zorgen dat de robot de juiste kant op beweegt, enzovoorts. Dat was voor mij, als student van 21 jaar, echt een openbaring.”

Oeps, een mens!

En dan hebben we nog niet eens over een omgeving waar ook mensen rondlopen.

Steinbuch: “Neem die robot van Elena. De echte problemen beginnen pas als er iemand voor loopt. Dan moet je nadenken: welke sensor is geschikt om die persoon waar te nemen, hoe snel is die sensor, wat moet ik dan doen. Die situaties kan je onmogelijk allemaal in kaart brengen.”

“Kijk, in de autoindustrie zie je sinds de jaren ‘80 productiehallen vol met robots, maar dat zijn allemaal robots die werken in een omgeving die deterministisch is. Ze kunnen wel flexibel geprogrammeerd worden, maar uiteindelijk doen ze steeds dezelfde taken. De uitdaging de afgelopen 20 jaar is steeds meer robotica die moet werken in ongestructureerde omgevingen, waar dingen veranderen die je niet weet.”

De interactie met de mens was ook het onderwerp van Torta’s promotie, waarvoor ze in 2010 speciaal voor naar Nederland kwam. In de groep van Wijnand IJsselsteijn heeft ze toen vier jaar onderzoek gedaan naar zorgrobots voor oudere mensen, zodat die langer zelfstandig kunnen blijven wonen.

Goal!

De Eindhovense robotonderzoekers hebben veel geleerd van TechUnited, een studententeam van de TU/e dat in 2009, een jaar voordat Torta naar Nederland kwam, werd opgericht door René van de Molengraft (in de groep van Steinbuch). Het voetbalteam van TechUnited doet al jaren succesvol mee aan de internationale Robocup-wedstrijden.

Steinbuch: “Dat voetbalteam is echt een living lab. Wat we daar leren kunnen we gebruiken bij onze servicerobots, maar ook bij onze autonome auto’s. Daar speelt precies hetzelfde. Ons doel is niet om de perfecte voetbalrobot te maken, maar om de kennis die nodig hebt om die goede voetbalrobot te maken te gebruiken voor andere relevante toepassingen.”

Torta is nauw betrokken bij @home, het servicerobotteam van TechUnited, dat in internationale wedstrijden ook hoog scoort. Hoewel de uitdagingen voor een voetbalrobot lijken op die van een zorgrobot (beide moeten autonoom kunnen bewegen in een complexe omgeving), zijn er ook verschillen.

Torta: “Bij zorgrobots is het speelveld minder gestructureerd, de omgeving kan voortdurend veranderen. Er zijn objecten met verschillende kleuren, er zijn mensen die steeds andere kleding aan hebben, of andere schoenen. Dus daar moet het begrip van de wereld groter zijn.”

Succesformule

Dat de robots van TechUnited zo succesvol zijn, heeft te maken met de unieke benadering van het robotonderzoek hier, zegt Steinbuch. Daarin gaan het slim gebruik van wereldmodellen en kunstmatige intelligentie samen met jarenlange ervaring op het gebied van hardware en systems engineering en samenwerking met de industrie. 

Steinbuch: “Heel veel roboticagroepen komen voort uit de informatica. Dat zie je ook bij Robocup, daar zijn de meeste teams computer science-teams. We winnen omdat onze engineering beter is, we maken betere hardware. We zijn werktuigbouwers die ook software leuk vinden, in plaats van omgekeerd.“

Praat je over robotica hebt, dan heb je het ook over kunstmatige intelligentie. Artificial Intelligence gaat net zoals robotica al tientallen jaren gebukt onder een combinatie van overspannen verwachtingen en dystopische toekomstvoorspellingen. 

De belofte van AI

Beide onderzoekers zien de belofte van AI, zeker nu robots steeds vaker moeten functioneren in de ‘echte’ wereld. Denk aan zelfrijdende auto’s in het drukke stadsverkeer, of aan zorgrobots die moeten kunnen omgaan met mensen. Maar Steinbuch waarschuwt voor overspannen verwachtingen.

“Als je alleen data gebruikt om jouw systeem te leren, kost dat heel veel iteraties. Dat is natuurlijk prima in een simulatie, maar je wil niet een voetbalrobot 10.000 keer een schot laten proberen, dan is hij kapot voordat hij wat geleerd heeft. Dat werkt niet. Dus daar waar we modellen hebben, gebruiken we die ook. En daar waar de modellen hun beperkingen hebben, zoals bij objectherkenning in een dynamische omgeving, gebruiken we data.”

Het is niet óf modellen, óf AI. We kiezen gewoon telkens de beste manier om een bepaald probleem op te lossen. Zonder vooroordeel.

Steinbuch is het wat dat betreft eens met Yann LeCun, de AI-chef van Facebook, die hier drie jaar geleden op de TU/e over sprak. “Hij ziet de combinatie van AI met modelvorming als dé grote ontwikkeling de komende tien jaar.”

Torta, die in haar werk steeds vaker gebruik maakt van machine learning-technieken zoals reinforcement learning, knikt instemmend: “Het is én-én, en niet óf-óf. We kiezen gewoon telkens de beste manier om een bepaald probleem op te lossen. Zonder vooroordeel.”

Robotrealisme

Genoeg successen om te vieren, dus, maar hoe zien de wetenschappers de toekomst? Het blijkt dat beiden een flinke dosis techoptimisme paren aan een gezonde portie robotrealisme.

Steinbuch: “We zijn van ver gekomen, mede dankzij de toegenomen rekenkracht van computers, het gebruik van veel data, en de steeds betere sensoren. Maar we zijn er nog niet. Om een voorbeeld te noemen, we zijn 12 jaar geleden begonnen met onze voetbalrobots, en elk jaar boeken we enorme vooruitgang. Maar het is nog steeds zo dat die robots niet winnen van een menselijk team.”

Torta en Steinbuch verwachten veel van een multidisciplinair project dat ze samen met collega’s van de TU’s in Delft en Twente, de VU in Amsterdam, en de Erasmus-universiteit in Rotterdam hebben opgezet. Doel is Nederland voor te bereiden op een toekomst waarin mensen steeds vaker gaan samenwerken met robots.

Elena: “Wij willen gaan experimenteren met een voetbalteam dat voor de helft uit robots en voor de helft uit mensen bestaat. Je kunt je voorstellen, dat is geen peuleschil. Die voetbalrobot moet aanvoelen wat zijn menselijke teamgenoten willen. Het zou niet fijn zijn als een voetbalrobot altijd aan de bal is, en de enige is die goals maakt!“

Maarten: “Het leuke van dit project (dat nog op financiering wacht van NWO, red.) is dat we gaan samenwerken met psychologen en sociologen. Die denken heel anders dan wij. Ik ben ervan overtuigd dat een combinatie van onze technische kwaliteiten en kennis uit de alfa- en gamma-hoek de toekomst heeft.”

De onmisbare robot

Uiteindelijk geloven beiden dat robots in de maatschappij van de toekomst onmisbaar zullen worden. Al was het maar omdat we vanwege de vergrijzing te weinig mensen hebben om iedereen te verzorgen.

Steinbuch: “Als de voorspelling van de vergrijzing doorgaan, dan wordt de zorg onbetaalbaar. We hebben twee keer zo veel mensen nodig in de thuiszorg, van 400.000 in de thuiszorg naar 800.000, en die mensen hebben we niet. Dus het enige wat je kan doen, is zorgen dat die mensen veel langer thuis kunnen blijven. En de enige oplossing daarvoor is technologie.”

En dan hebben we het nog niet over de cruciale rol die robots kunnen gaan spelen in de operatiekamer (precisiechirurgie) en de logistiek, waar nog een wereld te winnen is op het gebied van kwaliteit en efficiëntie.

Ethiek

Maar vanzelf zal het allemaal niet gaan. Wil de robotica de mens dienen en niet andersom, is het van groot belang dat de mensen die die slimme machines maken al in een vroeg stadium nadenken over ethiek, vinden beiden.

Torta: “Als onderzoeker wil je bijdragen aan een betere toekomst. De technologie die we maken is bedoeld om mensen over 10 jaar te helpen, en niet om ze te vervangen. Daar moet je nu al rekening mee houden. Minstens zo belangrijk is dat dat je gebruikers betrekt bij de apparaten die je voor ze maakt. Neem ze mee in het design”. 

Steinbuch: “Vergeet ook niet het onderwijs. Het is heel belangrijk dat onze studenten al vanaf hun bachelor met ethiek in aanraking komen. Gelukkig is dat hier in Eindhoven goed geregeld. Onze studenten vinden dat soms niet leuk, maar het is ontzettend belangrijk. Want die generatie gaat de komende dertig jaar de wereld veranderen!”

De taal van het bedrijfsleven

Uiteindelijk valt of staat het succes van de Eindhovens robots met de mate waarin ze echte problemen oplossen, denken beiden. Ze hameren in dat verband op het belang van samenwerking met het bedrijfsleven. Beiden hebben jarenlang in de industrie gewerkt (Steinbuch bij Philips, Torta bij ASML), en werken nu ook nog intensief samen met bedrijven in de Brainport Region en daarbuiten.

 “Samenwerking met het bedrijfsleven brengt real-life problemen naar de wetenschap”, zegt Torta. “Bedrijven hebben goed in de gaten wat de echte problemen zijn. Bovendien dwingen ze onderzoekers om te zorgen dat hun resultaten reproduceerbaar zijn. Het moet wel werken.”

Ik denk dat wij als universiteit de taak hebben om het langetermijn-geweten te zijn van de industrie.

Steinbuch is het daarmee eens, maar ziet ook een omgekeerd belang. “Ik denk dat wij als universiteit de taak hebben om het langetermijn-geweten te zijn van de industrie. Nu ze zelf geen uitgebreide onderzoeksgroepen meer hebben voor fundamenteel onderzoek, zoals vroeger bij het NatLab, betalen ze ons via promovendi om eigenwijs te zijn. En dan spreken Elena en ik ook nog de taal van de industrie, dat is echt niet overal zo.”

Bang voor belangenverstrengeling is hij niet. “We hebben vaak meer vrijheid in onze research met door ASML betaalde AIO’s, dan bij de AIO’s die we krijgen van NWO. We doen voor ASML wat we denken dat voor hen op lange termijn relevant is.”

Frankenstein?

In het verhaal van Asimov dat Torta las toen ze 10 jaar was, redt Robbie uiteindelijk het leven van Gloria. Asimov wilde zo afrekenen met de aloude vrees dat robots zich tegen hun maker zullen keren.

Ook Torta en Steinbuch zien niets in dit Frankenstein-scenario. “We zijn ingenieurs, en ingenieurs zijn uiteindelijk techno-optimisten. Wij geloven dat techniek de oplossing kan zijn voor heel veel maatschappelijke problemen. En dat geldt zeker ook voor de robot.”