“Synchronisatie en chaos liggen dicht bij elkaar”

Synchronisatie/Paula van de Riet
Foto/Bart van Overbeeke

Twee dansers walsen over de vloer. Hij zet zijn voet verkeerd, zij vangt het op. Ze dansen verder alsof er niets is gebeurd. Twee robots werken samen aan een product op een lopende band. De een hapert, de ander werkt in hetzelfde tempo door. Verderop gaat het mis; het proces komt tot stilstand. Hoe kun je machines effectief laten samenwerken en hoe vat je de processen in een werkbaar wiskundig model? Hoeveel informatie is nodig om tot synchronisatie te komen? In de afgelopen vier jaar heeft de Mexicaan Alejandro Rodriguez Angeles aan de faculteit Werktuigbouwkunde hard gewerkt aan dit probleem.

Rodriguez’ proefschrift, getiteld ‘Synchronization of Mechanical Systems’, geeft blijk van een praktische maar ook filosofische kijk op de materie. “Synchronisatie is vaak maar een stapje verwijderd van chaos”, stelt hij. “Niet alleen bij machines, maar ook in menselijke interacties.” ‘Globalisatie impliceert interacties op een wereldwijde schaal, en resulteert in de standaardisatie van ideeën, gewoonten en sociale-, politieke- en economische systemen. Zodoende veroorzaakt globalisatie een soort synchronisatie in de mensheid’, zo schrijft Rodriguez in een van zijn stellingen. Als Mexicaan van boeren afkomst heeft hij zo zijn bedenkingen bij de tendens van de dominante westerse, kapitalistische cultuur om kleinere, meer traditionele culturen op te slokken.
Samenwerking, of synchronisatie, kun je namelijk op verschillende manieren bereiken. In een meester-slaafmodel krijgen slaven informatie van de meester en houden daar rekening mee. De meester ontvangt geen feedback van het slaafsysteem. Dit is een zogenoemd ‘external synchronization scheme’. Wanneer de slaven informatie terugsluizen naar de meester, wordt het systeem ingewikkelder en meer vatbaar voor problemen, maar vaak ook effectiever. Als de meester rekening gaat houden met zijn slaven krijgen ze een zekere mate van gelijkheid. In de ultieme vorm bestaan alleen samenwerkende meesters. Dan kunnen we spreken van een ‘mutual sychronization scheme’. Allerlei combinaties van deze twee basissystemen zijn mogelijk als het gaat om machines of groepen machines die samenwerken.
Voorbeelden van synchronisatie in mechanische systemen zijn op afstand bediende meester-slaaf robots die operaties doen in ziekenhuizen of voor de mens gevaarlijke omgevingen verkennen. Trillingscompensatoren in mijnen en multi-robotsystemen in productieprocessen werken ook dankzij synchronisatieprincipes.

Twee mechanische robots die Rodriguez heeft gebruikt voor zijn onderzoek. Illustratie: Alejandro Rodriguez Angeles

Slingeruurwerken
“De vroegste wetenschappelijke inzichten over synchronisatie zijn van de Nederlander Huygens. Hij merkte in 1673 op dat twee slingeruurwerken die op een balk van een schip hingen op dezelfde frequentie slingerden. Ook als ze opzettelijk uit hun ritme werden gehaald, keerden ze na verloop van tijd door de verbinding van de balk en de bewegingen van het schip gewoon weer terug naar hun oorspronkelijke gezamenlijke frequentie”, vertelt Rodriguez.
Sommige systemen, vooral in de natuurlijke wereld, neigen tot samenwerking. ‘In de astronomie wordt de synchronisatietheorie gebruikt om de beweging van hemellichamen te verklaren, denk aan de banen van zon, maan en planeten… Synchrone activiteit is waargenomen in de menselijke hersenen, waarbij neuronen zich synchroon ontladen op sommige frequenties… Bewijs van synchrone gedragingen is ook te vinden in de natuurlijke wereld, neem bijvoorbeeld het geluid van krekels dat bijna als een koor kan klinken, of het synchrone flikkeren van licht in een groep vuurvliegjes…’, zo schrijft Rodriguez in zijn proefschrift.
Het doel van het onderzoek van Rodriguez was het ontwerpen van regelaars die synchronisatie tussen twee of meer mechanische systemen (zowel identiek als verschillend) garanderen. De voornaamste beperking die hij bij het ontwerp hanteerde, was dat alleen ‘positie’ informatie van alle samenstellende systemen via metingen beschikbaar was voor de regelaar. De ontbrekende informatie over snelheden en versnellingen kwam binnen via complexe, dynamische wiskundige modellen. De gemeten posities en de geschatte snelheden en versnellingen gebruikt hij dan in feedback regelaars. Die garanderen weer de synchronisatie van de mechanische systemen.
Rodriguez past zijn synchronisatieschema’s toe op onderlinge organisatieproblemen van meerdere mobiele robots en satellieten. Op het technische vlak heeft hij zich beziggehouden met wrijving en flexibiliteit in scharnieren en verbindingspunten.
De Mexicaanse ingenieur begon zijn promotie-onderzoek exact vier jaar geleden in Twente. Na zo’n twee jaar wilde hij zijn modellen wel eens in de praktijk testen en verfijnen. Philips had toen net een aantal industriële transposer robots beschikbaar gesteld aan het Dynamics and Control Laboratory van de TU/e-faculteit Werktuigbouwkunde. Rodriguez zag kans om zijn onderzoek op een praktische manier voort te zetten en verhuisde naar Eindhoven. Dit met steun van zijn promotor prof.dr. Henk Nijmeijer.
Rodriguez’ zoektocht naar een theoretisch raamwerk waarin minimale voorwaarden voor synchronisatie zijn verwerkt, is vrij zeldzaam in deze tak van wetenschap. Over het algemeen blijft men bij wiskundige modellen die nog ver verwijderd zijn van de werkelijkheid, of houdt men zich bezig met concrete werktuigbouwkundige problemen. “Ik wilde kijken hoe dicht ik met mijn modellen de werkelijkheid kon benaderen”, legt hij uit.
Rodriguez ging nadenken over de manier waarop we in het gewone leven problemen oplossen. “Als we een probleem niet aankunnen, gaan we niet een grotere mens maken. We gaan met groepen mensen samenwerken aan een oplossing”, redeneert hij. “Zo moet je in de vliegtuigbouw ook geen grotere robot hebben als de onderdelen te zwaar zijn. Je moet bijvoorbeeld twee of drie systemen nauwkeurig laten samenwerken om de vliegtuigromp op zijn plaats te krijgen. Als die samenwerking niet nauwkeurig genoeg is, zie je vervolgens hoe dicht synchronisatie tegen de chaos aan zit.”

Kansen
In Mexico, vertelt Rodriguez, duurt een promotie-onderzoek drie jaar met eventuele uitloop tot vier jaar. De maximale beurs van zijn universiteit in Mexico dekte dus de minimale promotie-tijd in Nederland. Als een van de weinige onder zijn collega-AIO’s heeft hij zonder vertraging zijn doctoraat in vier jaar gehaald. Hij vertrekt binnenkort voor een jaar naar Mexico, waar hij een baan heeft bij een nationaal onderzoekscentrum van de olie-industrie. Hij gaat werken aan trillingscompensatoren die gebruikt worden bij olieboringen.
“Ik ben vanwege de bepalingen van mijn beurs verplicht na mijn promotie een bepaalde periode in Mexico te werken bij een commercieel bedrijf of aan de universiteit. Ik vind zelf ook dat ik best een tegenprestatie mag leveren voor mijn beurs. Ik heb kansen gekregen die weinig gewone mensen in mijn land krijgen”, zegt hij.
Rodriguez vertelt dat hij het naar zijn zin heeft gehad in het goed georganiseerde en ‘gesynchroniseerde’ Nederland, maar dat hij nu toch blij is dat hij terug mag naar het chaotische Mexico City. “Het is fijn dat alles hier zo goed geregeld is, maar een beetje kleur en spontaniteit in het leven heb ik toch gemist. Als Latijns-Amerikaan was ik niet gewend om aan de hand van een agenda te leven.”
Dat verlangen naar spontaniteit is terug te vinden in één van de stellingen in zijn proefschrift: ‘Without order nothing can exist. Without chaos nothing can evolve’. Wie daar van terug heeft, mag het zeggen op 30 oktober, de datum van Rodriguez’ promotie./.