Föreställ dig den här scenen. När myrornas underjordiska bostad hotas av en livsfarlig översvämning, samlas tiotusentals av dem och klättrar upp på varandra för att bilda en sjudande, stigande pelare som de andra kan klättra på för att sätta sig i säkerhet.

Scenen är hämtad ur den tecknade filmen Antz från 1998, men speglar den typ av samarbete och kollektivt beteende som utspelar sig i naturen, bland kolonier av myror, bin och termiter – ett beteende som är till stor nytta för respektive art.

Ingenjörer och teknologer har observerat svärmbeteendet i hopp om att återskapa det så att även människan kan dra nytta av något som fungerar så bra i djurriket.

Den här forskningen har bland annat lett till utvecklingen av små, nästan autonoma robotar som arbetar tillsammans men också självständigt, och med minimalt behov av input från en centralt placerad operatör. Det här kallas för robotsvärmar.

Samarbete mot ett gemensamt mål

Robotteknikerna arbetar med att skapa team av pyttesmå robotar som kan övervaka utrustning och byggprojekt i farliga miljöer – vissa har till och med föreslagit att sådana robotar skulle kunna bygga på platser där människan inte klarar att göra det, till exempel i rymden.

Forskare vid det Boston-baserade Wyss Institute i USA håller på att utveckla robotsystem och algoritmiska metoder för att ”skapa artificiella robotsvärmar som samarbetar mot ett gemensamt mål”.

Teknikerna på Wyss har skapat ett kollektiv av 1 024 sådana robotar, som de säger kan programmeras för att uppvisa komplexa svärmbeteenden, till exempel att söka efter föda, och något som teamet beskriver som ”eldflugeinspirerad synkronisering”. Samtidigt kan en användare interagera med svärmen som helhet, programmera robotarna och slå på och av dem, oavsett hur många de är.

Samtidigt studeras svärmar av självorganiserande mikrorobotar av team från European Molecular Biology Laboratory i Barcelona och University of Bristols Robotics Laboratory.

Sabine Hauert, som är en av projektledarna vid Bristol Robotics Laboratory, säger att robotarna med hjälp av infraröda signaler kan kommunicera med varandra och gradvis bygga upp större svärmar som utforskar sin omgivning.

Sabine berättar för Institute of Mechanical Engineering att en spännande aspekt av teamets arbete är att de här formationerna är helt självorganiserade: ”Det betyder att det inte finns någon ledare i systemet. Vi har inte gett dem någon övergripande plan för vilka formationer som ska skapas, men ändå framträder de på ett relativt repeterbart sätt baserat endast på enkla regler.”

Omsätta teori i praktik?

Hur skulle man då kunna använda sådana här robotsvärmar i byggbranschen? Det här är en sektor som släpar efter andra när det gäller användningen av teknologi, men som potentiellt kan dra stor nytta av robotsvärmar i framtiden.

Hittills har arbetet med robotsvärmar handlat mycket om akademisk forskning. Ett team på Harvard University i USA har arbetat med ett projekt som kallas Termes – efter ett släkte av högre termiter – som teamet säger ”kombinerar idéer från områdena svärmintelligens och programmerbar självorganisation för att skapa algoritmer, teorier och robotprototyper”.

Forskarna säger att de har utvecklat ”en familj av decentraliserade algoritmer enligt vilka enkla robotar, utan trådlös kommunikation eller GPS/lokalisering, kan samarbeta för att bygga stora klasser av användarspecificerade konstruktioner genom att känna av och modifiera sin miljö på samma sätt som termiter”.

De har också utvecklat ett antal robotplattformar, ”som blockbärande klätterrobotar som kan bygga modulära blockkonstruktioner som är mycket större än de själva, och robotar som deponerar mjukt material och kan bygga i ostrukturerade miljöer”. 

Det här är dock inte hypotetiska koncept som bara finns på ritbordet. I Storbritannien säger sig Hypertunnel, ett nystartat företag inom tunnelteknik i Basingstoke, ha byggt världens första underjordiska konstruktion byggd av robotsvärmar – en sex meter lång, två meter hög och bred tunnel.

Företaget använde metoder för svärmbygge enligt en digital tvilling av tunneln. En flotta av hyperBot-robotar tog sig ner i marken genom en serie HDPE-rör formade som en båge. Robotarna gjorde sedan en 3D-utskrift av tunnelns skal genom att installera byggmaterial direkt i marken.

Mot oändligheten och vidare

Och medan vissa undersöker potentialen för robotsvärmar här nere på jorden, siktar andra mot stjärnorna.

Som en del av en tävling som ordnades av NASA med namnet 3D Printed Habitat Centennial Challenge, där uppgiften var att konstruera en miljö på Mars där fyra astronauter skulle kunna bo och arbeta i ett år, föreslog Hassell Architects något som de kallade en ”modulär svärmstrategi” för att leverera de bostäder som skulle krävas.

I ett whitepaper skriver Hassell: ”Svärmens kollektiva målsättning är att konstruera ett tryckbaserat skal som ska skydda en serie tryckhållande, förbyggda bostadskapslar.”

Resultatet av Hassells forskning är något som de kallar ”ett ekosystem av robotsamlingar som på ett flexibelt sätt kan anpassa sig efter potentiella processförseningar eller problem med byggschemat”.

Enligt Hassell bestod metoden ”vare sig av en byggrobot med enstaka uppgifter eller en integrerad robotiserad byggplats, utan av något helt annat”. Svärmens centrala funktioner skulle ”säkerställa att robotmodulerna kan användas under lång tid efter den interna byggfasen”.

Säkerhetsfrågor

Eftersom tekniken för robotsvärmar fortfarande är i sin linda finns det vissa utmaningar som man måste ta itu med för att den ska bli mer allmänt accepterad och användas i hela byggbranschen, om man bortser från att branschen generellt är långsam med att börja använda ny teknologi.

Enligt Leotronics, en robotutvecklare med tillverkningsanläggningar i Slovakien, är robotsvärmarnas pålitlighet ett bekymmer. ”Naturliga svärmar bygger på antagandet att enskilda medlemmar av svärmen kan fela.” Leotronics varnar för att när enskilda svärmmedlemmar felar ”kan det öka driftskostnaderna och leda till säkerhetsproblem”.

Säkerheten är enligt Leotronics en känslig fråga. ”Svärmens beteende influeras av den information som svärmens medlemmar tar emot … och kan påverkas genom att man ändrar de meddelanden som utbyts mellan robotarna eller genom att introducera falsk information i svärmen. Därför måste kommunikationen i stort vara krypterad.”

Forskare och ingenjörer är medvetna om de här problemen och arbetar för att lösa dem, men det kommer sannolikt att dröja innan vi får se den robotiserade motsvarigheten till en flock starar som samlas ovanför en byggarbetsplats, redo att hissa upp material på plats. Det betyder inte att något sådant inte skulle kunna hända så småningom. Men innan dess har byggbranschen som bekant många andra frågor att ta itu med när det gäller användningen av teknologi.