Quantumtechnologie en Robotica: Een Doorbraak in Mensachtige Beweging

Het ontmoetingspunt van technologische disciplines

In een spannende ontwikkeling op het snijvlak van robotica en kwantumcomputing hebben onderzoekers van het Shibaura Institute of Technology, de Waseda Universiteit en Fujitsu Limited een innovatiemethode gepresenteerd voor het optimaliseren van de houding van robots. Deze doorbraak vermindert fouten en berekeningen in een van de grootste uitdagingen van moderne robotica: de inverse kinematica.

De uitdaging: Natuurlijke bewegingen in mensachtige robots

Een humanoïde robot of een robotarm met meerdere gewrichten moet voortdurend berekenen welke hoeken iedere verbinding moet aannemen om een eindpositie te bereiken, zoals het oppakken van een voorwerp van de grond zonder het evenwicht te verliezen. Deze operatie, bekend als inverse kinematica, omvat het oplossen van duizenden mogelijke combinaties in enkele seconden.

Bij een volledig model van 17 gewrichten, het aantal gewrichten dat een menselijk lichaam heeft, is de rekenbelasting zo hoog dat klassieke methoden vereenvoudigingen aanvragen, zoals het model reduceren tot 7 gewrichten. Deze benaderingen beperken echter de vloeiendheid en complexiteit van beweging, waardoor huidige robots vergeleken met mensen nog steeds onhandig blijven.

De oplossing: Houdingen representeren met qubits

De nieuwe methode introduceert een kwantumbenadering van het probleem. Elk van de oriëntaties en posities van de robot onderdelen (de zogenaamde links) wordt weergegeven met qubits, de fundamentele eenheden van informatie in een kwantumcomputer.

Het proces functioneert op een hybride wijze:

• De berekening van directe kinematica (bepalen waar de hand eindigt op basis van de hoeken van de gewrichten) wordt uitgevoerd met kwantumcircuits.
• De berekening van inverse kinematica (de hoeken oplossen op basis van de gewenste positie) vindt plaats op klassieke computers.

De sleutel ligt in de kwantumverstrengeling: dit fenomeen stelt de bewegingen van één gewricht in staat om automatisch invloed uit te oefenen op de volgende, waardoor de hiërarchische afhankelijkheid van het menselijke skelet op een natuurlijke manier wordt gerepliceerd.

Resultaten: Minder berekeningen en meer precisie

De tests met de kwantumsimulator van Fujitsu toonden een afname van fouten met 43% in vergelijking met conventionele methoden, terwijl ook minder rekenkracht werd gebruikt.

In een aanvullend experiment met de 64-qubit kwantumcomputer ontwikkeld door RIKEN en Fujitsu, werd bevestigd dat de verstrengeling de snelheid van convergentie en de precisie van de berekeningen aanzienlijk verbeterde. Bij een test met een volledig model van 17 gewrichten kon het systeem bewegingen berekenen in zo’n 30 minuten, een tijdsbestek dat nog maar een paar jaar geleden ondenkbaar was.

Implicaties: Op weg naar meer menselijke robots

Deze vooruitgang, hoewel nog in de experimentele fase, opent de deur naar robots die in staat zijn om vloeiendere, nauwkeurigere en complexere bewegingen uit te voeren, zelfs in interactie met mensen.

Directe toepassingen zijn onder andere:

• Humanoïde robots voor assistentie in huis of gezondheidszorg.
• Industrieel manipulators met hogere precisie in fabrieken en productielijnen.
• Redrobots die zich kunnen aanpassen aan oneffen terrein of onvoorspelbare obstakels.
• Energieoptimalisatie, waarbij de houding van de robot wordt aangepast om de inspanning en het energieverbruik te minimaliseren.

Bovendien kan de techniek, door de beperkte behoefte aan qubits, zelfs worden toegepast op de huidige generatie NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) computers, wat de overgang van theorie naar praktische toepassing versnelt.

Een samenwerking die de toekomst bepaalt

Het project is het resultaat van samenwerking tussen drie vooraanstaande Japanse instellingen:

• Het Shibaura Institute of Technology, geleid door de associate professor Takuya Otani van het mens-robot systemen laboratorium.
• De Waseda Universiteit, onder leiding van professor Atsuo Takanishi, een pionier in humanoïde robotica.
• Fujitsu Limited, vertegenwoordigd door Nobuyuki Hara, Yutaka Takita en Koichi Kimura, die verantwoordelijk zijn voor de integratie van kwantumcapaciteit in de simulatie en controle van robots.

Het werk is gepresenteerd onder de titel Quantum computation for robot posture optimization en wordt beschouwd als een eerste stap naar het praktische gebruik van kwantumcomputing toegepast op real-time robotica.

Convergentie van trends: kwantum, AI en robotica

Deze vooruitgang komt niet alleen. Japan, via projecten zoals FugakuNEXT – de supercomputer ontwikkeld door RIKEN in samenwerking met Fujitsu en NVIDIA – streeft ernaar kunstmatige intelligentie, high-performance computing en kwantum in één enkele platform te integreren.

De visie is duidelijk: robots creëren die niet alleen het menselijk uiterlijk imiteren, maar die ook kunnen leren, zich aanpassen en reageren met dezelfde wendbaarheid als mensen.

Conclusie

De aankondiging van Fujitsu, Waseda en Shibaura markeert een mijlpaal in de robotica. Voor het eerst wordt kwantumcomputing met succes toegepast op een van de meest complexe problemen van mensachtige beweging: de inverse kinematica.

Hoewel er nog een weg te gaan is om berekeningen in real-time te realiseren, voorspellen de behaalde resultaten een toekomst waarin robots kunnen bewegen met vloeiendheid, precisie en energie-efficiëntie zoals we die nog nooit eerder hebben gezien.

In de woorden van de onderzoekers, zijn we getuige van “een vooruitgang die de manier waarop mensen en machines samenleven in alledaagse omgevingen zou kunnen transformeren”.

Veelgestelde Vragen (FAQ)

1. Wat is inverse kinematica in robotica?
Het is de wiskundige berekening die het mogelijk maakt om de hoeken van elk gewricht te bepalen, zodat de robot een gewenste eindpositie kan bereiken (bijvoorbeeld het oppakken van een voorwerp met de hand).

2. Waarom verbetert kwantumcomputing deze berekeningen?
Omdat qubits en de verstrengeling het mogelijk maken om meerdere toestanden parallel voor te stellen, waardoor het aantal benodigde berekeningen wordt verminderd en de precisie toeneemt.

3. Kan dit al toegepast worden in commerciële robots?
Voorlopig is de techniek getest in simulators en experimentele kwantumcomputers, maar deze is haalbaar in huidige NISQ-systemen. De uitdaging is om real-time rekensnelheden te behalen.

4. Welke praktische toepassingen zou het op korte termijn kunnen hebben?
Assistent robots, industriële robotarmen, reddingssystemen en geavanceerde mobiliteitstechnologieën voor humanoïde robots.

via: global.fujitsu