Hoe Lego de volgende generatie ingenieurs bouwt

Q Branch is natuurlijk de afdeling van Her Majesty’s Secret Service (MI6) die James Bond voorziet van fantasierijke gadgets. Het hoofdkwartier van MI6 is een zigguratachtig fort dat binnen de inlichtingengemeenschap bekend staat als Legoland. Het dankt zijn naam aan het speelgoedbedrijf dat de aarde heeft voorzien van meer dan 600 miljard kleine plastic steentjes – ongeveer 80 voor elke inwoner. Het eigen hoofdkantoor van het Lego-bedrijf is een bescheiden campus, zo netjes en overzichtelijk als een kwadratische vergelijking. Enorme gekleurde bakstenen – een zakelijke knipoog naar kunst – liggen verspreid in nette stapels, en eenvoudige rechthoekige gebouwen dragen namen als Idea House en Head Office.

Lego’s eigen MI6, het uiterst geheime R&D-laboratorium, bevindt zich op de tweede verdieping van een saai bakstenen gebouw dat het Tech Building wordt genoemd. Binnenin zijn versnellingsbakken in spijkerbroeken en fleecetruien omringd door voldoende elektronische ganglia om het monster van Frankenstein een vliegende start te geven. Te midden van een spaghetti van draden en een gloed van rode, groene, blauwe, gele en paarse blokken bevindt zich een verbazingwekkende reeks robotprototypes, die allemaal in staat zijn tot irritant gedrag. Sommige van deze wonderen bewegen zich voort op Lego-wielen; anderen scharrelen rond op Lego-poten. Er is een schorpioenachtige robot die scherp draait, met zijn klauwen knipt en op zoek gaat naar een ‘bug’ van een infraroodbaken. Er is een Mohawked-androïde die kleine rode balletjes gooit terwijl hij rommelt. En er is een robotslang met slagtanden die, met de zwaai van een smartphone, schudt, rammelt en rolt. Hang je cel voor de kop van de slang en hij komt naar je toe om je te bijten.Alle drie de gadgets zijn personages uit Mindstorms EV3, de nieuwste update van een doe-het-zelf-pakket waarmee beginnende Edisons robots kunnen assembleren, op pc's en Macs kunnen programmeren en ze kunnen besturen via Bluetooth, downloadbare apps en spraakopdrachten. Net als elke andere Lego is Mindstorms EV3 een wirwar van onderdelen (bijna 600 afzonderlijke elementen) die op vele manieren in elkaar kunnen worden gezet. Het speelgoed, dat €350 kost en dit najaar in de winkels zal liggen, wordt geleverd met interactieve 3D-bouwinstructies voor 17 verschillende bots die lopen, praten en stalken. En omdat dit Lego is, worden ondernemende kinderen aangemoedigd om de componenten te hacken en om te zetten in wat ze maar kunnen bedenken.

Er was een tijd dat leraren niet over de middelen beschikten om leerlingen te enthousiasmeren en te betrekken bij techniek. En de technologische kennis die nodig was om een trillende robot in elkaar te zetten, beperkte het publiek tot middelbare scholieren en universiteitsstudenten. Dat veranderde allemaal in 1998 toen Lego zijn eerste golf programmeerbare bots lanceerde. Bij de tweede golf, in 2006, was de programmeertaal visueel geworden en konden kinderen bots vrijwel alles laten doen door simpelweg richtlijnen aan elkaar te rijgen op een computer. “Vandaag kan een tweedeklasser in twintig minuten haar eigen muurvermijdende triceratops maken”, zegt Chris Rogers, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Tufts University.

Met stenen, actie en tinten zo levendig als tropische zonsondergangen, creëerde Lego een manier voor beginners om de basisprincipes van bouwtechniek te leren: versteviging, spanning en compressie, laadbeperkingen, bouwen op schaal. Door Legoblokjes te combineren met sensoren, servomotoren en microprocessors kunnen deze nieuwelingen nu alles verkennen, van eenvoudige katrollen en riemen tot computerprogrammering. “Mindstorms EV3 maakt sleutelen aan machines weer cool”, zegt Ralph Hempel, auteur van Lego Spybiotics Secret Agent Training Manual.Mindstorms moedigt jonge knutselaars aan om zich spelenderwijs een weg te banen in de robotica. “Het stelt geen grenzen aan je fantasieën”, zegt Niels Pugholm, een Deense student die al met Lego speelt vanaf het moment dat hij oud genoeg was om te weten dat hij ze niet mocht inslikken. “Het meeste speelgoed vertelt vooraf een verhaal; Mindstorms is verkennend en kent geen vaste regels. Als ik een Marsrover-robot bouw, kan ik deze ombouwen tot een robotarm en vervolgens tot een robotachtige mensachtige. Lego-robotica is een stiekeme educatieve manier om te leren over ontwerp, planning, constructie en, belangrijker nog, wederopbouw.” In Denemarken, zegt hij, is het voor een kind verplicht om een Babel-toren te bouwen van Lego, dat ‘onvermijdelijk wordt gesloopt’.

De EV3 is de derde generatie sloopbare Mindstorms, en de tweede die via crowdsourcing is verkregen. “De kracht van velen”, zegt Marc-André Bazergui, een van de tientallen Lego-burgerontwikkelaars – die zichzelf de 12 Apen noemen – die de nieuwste editie moesten ontwerpen. Door de jaren heen hebben velen Lego-bots gemaakt die Rubik’s Cubes oplossen, M&M’s op kleur sorteren en conventionele toiletten ombouwen tot robo-flushers.

Als onderdeel van de zogenaamde ‘maker-beweging’ deelt de fanatieke online community van Mindstorms ideeën door plannen voor nieuwe creaties te uploaden naar Lego-forums en video’s op YouTube te plaatsen. Over de hele wereld maken schoolkinderen deel uit van competities en houden ze toernooien waarin teams worden uitgedaagd een Lego-robot te ontwerpen, bouwen en programmeren om een specifieke taak uit te voeren die verband houdt met een thema als klimaatbeheersing of transportveiligheid. In de Verenigde Staten worden wedstrijden georganiseerd door FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology), een non-profitorganisatie opgericht door de schijnbaar onuitputtelijke uitvinder Dean Kamen (maker van de Segway-scooter). Elk voorjaar organiseert FIRST kampioenschappen in vier robotica-divisies, variërend van 6 tot 18 jaar. Tijdens het driedaagse Lego-blokkenfeest van dit jaar in de Edward Jones Dome in St. Louis streden 650 teams om robotsuperioriteit en meer dan $ 16 miljoen aan studiebeurzen voor 140 teams. hogescholen.

De helft van alle middelbare scholen in de Verenigde Staten en ongeveer een kwart van alle basis- en middelbare scholen hebben Mindstorms in hun leerplannen opgenomen. Het Massachusetts Institute of Technology heeft een Lego Chair, geen chesterfield gemaakt van Legoblokjes, maar een bijzonder hoogleraarschap in het medialab van de universiteit. Bij Tufts hebben de robotica-sets geleid tot een gelijk aantal dissertaties en verhandelingen met pakkende titels als ‘Onderwijzen van fundamentele cardiovasculaire mechanica met Lego-modellen: een casestudy op een middelbare school.’

Rogers werkte samen met Lego om Robolab te ontwikkelen – een robotachtige benadering voor het leren van natuurwetenschappen en wiskunde – die op zo’n 50.000 scholen over de hele wereld wordt gebruikt en in 15 talen is vertaald. Hij legt de nadruk op design thinking, het idee dat je een probleem in kaart brengt door eerst de oplossing ervan voor te stellen. Zijn aanpak is gebaseerd op demonstratie, kritiek en iteratie: alles kan beter, zelfs mislukkingen. “De kinderen maken een goede inschatting en voeren vervolgens experimenten uit om hun theorieën te bewijzen”, zegt hij. “Ze zien dat er geen goed of fout antwoord is, maar dat er slechts een oneindig aantal manieren is om een probleem aan te pakken. Leren is net zo belangrijk voor de techniek als voor het leven.”In het Deens wordt Lego uitgesproken als LEE-go. In het Engels wordt de bouwgekte die de beschaafde wereld in zijn greep heeft uitgesproken als LEEgoMAINia. Een Italiaanse kunstenaar heeft nauwgezet de werken van oude meesters in Lego nagebouwd, waaronder Da Vinci’s Mona Lisa en Vermeers Meisje met de parel. Een kunstenaar uit Chicago heeft Lego-minidecors ontworpen van het Witte Huis, het Sydney Opera House en 15 andere vooraanstaande gebouwen. Anderen hebben zich tot het uiterste ingespannen om de grootste Lego-brug ter wereld (35 meter), de langste Lego-treinbaan ter wereld (1.500 meter) en de hoogste Lego-toren ter wereld (450.000 stenen) in elkaar te zetten. Er zouden 40 miljard Legoblokjes met acht noppen nodig zijn om een stapel naar de maan te bouwen, hoewel nog niemand dit heeft geprobeerd.

Niet alleen krijgt elk belangrijk nieuw NASA-ruimtevaartuig en elke missie nu zijn eigen Lego-model, maar astronauten aan boord van het internationale ruimtestation hebben ze ook in een baan om de aarde gebouwd. Er zijn Lego Darth Vader-klokken, Lego Ninjago-videogames en een Lego Zwerkbalwedstrijd. Over een jaar verschijnt de geanimeerde avonturenfilm LEGO: The Piece of Resistance in de bioscoop. Met personages ingesproken door Will Ferrell en Morgan Freeman belooft de tekenfilm een echte, ahem, blockbuster te worden. Bij de laatste telling waren vier van de tien beste kinderboeken op de bestsellerlijst van de New York Times afkomstig van Lego. Eén daarvan, The Lego Ideas Book, draagt de slogan ‘Unlock Your Imagination’.

Fantasie is wat Lego heeft geleid vanaf de oprichting in 1932 door Ole Kirk Kristiansen, een Geppetto-achtige timmerman met een kleine werkplaats in Billund, een landelijk gehucht in Jutland met de topografie van een pannenkoek. In een poging de Grote Depressie te verslaan, begon Kristiansen felgekleurde houten auto's en trekeenden te maken. Nadat hij tot de conclusie was gekomen dat zijn speelgoedbedrijf een suggestievere naam nodig had dan Billund Maskinsnedkeri, verkortte hij de uitdrukking leg godt, Deens voor ‘goed spelen’. Lego betekent toevallig ‘ik heb in elkaar gezet’ in het Latijn.

Lego, zoals het door de meeste volwassenen wordt begrepen, begon in 1949, kort nadat Kristiansen de eerste spuitgietmachine van Denemarken had gekocht en speelgoed met wat plastic onderdelen begon te produceren. Volgens de Lego-legende stuitte hij op enkele holle, in Groot-Brittannië gemaakte blokken genaamd Kiddicraft, die de inspiratie vormden voor zijn eigen Automatic Binding Bricks, de voorloper van de Legosteen. De doorbraak in het ontwerp was een mechanisme van noppen en buizen waarmee de stenen in elkaar konden klikken, vast konden blijven zitten en toch op de een of andere manier gemakkelijk uit elkaar konden vallen. “Lego is het ultieme symbool van het Deense karakter”, zegt Niels Pugholm. “Het zijn bescheiden kleine objecten die afhankelijk zijn van logica en geometrie. Misschien omdat Denemarken zo weinig natuurlijke hulpbronnen heeft, wordt vindingrijkheid gekoesterd.”

In 1958 – het jaar van Kristiansens dood – patenteerde Lego zijn click-fit-technologie, die het bedrijf ‘koppelingskracht’ noemt. De sleutel is precisietechniek; de tolerantie van Lego’s Deense moderne tanden is een vijftigste van een millimeter, tien keer fijner dan een mensenhaar. In de daaropvolgende halve eeuw werd Lego een van 's werelds meest geliefde speelgoed. Ongeveer de helft van de ouders op deze planeet is midden in de nacht wakker geworden door een verstoring, is duizelig de slaapkamer van hun kind binnengestormd en is met blote voeten op een Legoblokje gestapt.

“Kinderen zijn fantastische kleine wezens”, zegt Mads Nipper, marketingchef van het bedrijf. “Naast dronken mensen zijn zij de enige echt eerlijke mensen op aarde.” Toen het millennium naderde, exploiteerde Lego die eerlijkheid door een branding-buiger te maken. Het familiebedrijf maakte uitstapjes naar kinderkleding, babyproducten, sieraden, videogames en themaparken.Maar er was iets aan het rotten in de staat Denemarken. In 2004 had Lego een aantal domme financiële beslissingen genomen en stond op de rand van een faillissement of een overname door Mattel, de grootste speelgoedretailer ter wereld. Kjeld Kirk Kristiansen, CEO en kleinzoon van de oprichter, heeft voormalig managementconsultant Jorgen Vig Knudstorp aangesteld om hem te vervangen en Lego steen voor steen opnieuw op te bouwen. Wat Knudstorp deed: kosten besparen, personeel ontslaan, ontwikkelingstijden halveren, de softwaredivisie schrappen en productlijnen terugschroeven. Schijnbaar gedegradeerd naar de Grote Speelgoedzolder in de Lucht, maakte Lego een opmerkelijke ommekeer.

Eén lijn die Knudstorp onaangeroerd liet, was Mindstorms, dat 15 jaar geleden begon in samenwerking met het MIT Media Lab. “Het oorspronkelijke patent op onze in elkaar grijpende baksteen liep in 1975 af”, zegt Nipper. “De enige manier om ons te blijven onderscheiden van onze concurrenten was door middel van creativiteit.” En niet noodzakelijkerwijs Lego’s eigen creativiteit: het bedrijf heeft Mindstorms-innovatie uitbesteed aan zijn hardcore fanbase.

De relatie tussen Mindstorms en zijn enthousiastelingen was altijd symbiotisch geweest. Een paar maanden na het debuut van de robotica-kit in 1998 heeft Kekoa Proudfoot, afgestudeerde student aan Stanford University, zijn eigen microprocessors reverse-engineered en de ontwerpgeheimen gepost. Andere hackers maakten gebruik van zijn bevindingen, ontwierpen nieuwe software en besturingssystemen en deelden prestatieverbeteringen met de rest van het internet. Terwijl het management en het juridische team van Lego bespraken hoe ze met de inbreuk om moesten gaan, stelde Nipper voor dat het bedrijf open-sourcing zou moeten aanmoedigen.

Het aanklagen van de modders, zo redeneerde hij, zou de volwassen hobbyisten van Lego kunnen vervreemden, die goed waren voor bijna de helft van de verkopen van Mindstorms en in wezen bereid waren om gratis te werken. In het nieuwe bedrijfsparadigma van het bedrijf moet de ontwikkeling door fans worden aangestuurd en gecontroleerd, met heel weinig toezicht van Lego. Zo weinig dat er een ‘recht om te hacken’ in de Mindstorms-softwarelicentie was geschreven. “We kwamen tot het inzicht dat het beperken van creativiteit het tegenovergestelde is van onze missie”, zegt Nipper. “Ons doel is om onderzoek en vindingrijkheid te bevorderen.” De strategie wierp vruchten af: Mindstorms werd het best verkochte product in de geschiedenis van Lego.

In 2005, toen de kit een ontwerpupgrade nodig had, struinde Lego door online forums en websites voor volwassen fanboys die bereid waren deel uit te maken van een Mindstorms User Panel, of MUP. De vier finalisten – allemaal tot geheimhouding verplicht – en Lego’s technische brein hebben elf maanden lang e-mails uitgewisseld over van alles, van firmware tot invoerpoorten. In ruil voor hun bijdragen kregen de MUPpets betaald in Lego. “Het is de best mogelijke relatie”, zegt panellid Ralph Hempel, een professionele ingenieur die gespecialiseerd is in het ontwerpen van embedded systemen. “Geld zou de kwestie ingewikkelder maken. Er is geen ander merk ter wereld waarvoor ik zou overwegen om kosteloos hetzelfde werk te doen. Het vooraf verkrijgen van kopieën van roboticakits is voor mij de kers op de taart.”

Voor de nieuwste versie van Mindstorms heeft Lego zijn gebruikerspaneel uitgebreid naar een tiental brickheads (de 12 apen) en onderzocht hoe kinderen omgaan met robotspeelgoed. Camilla Bottke, de senior marketingmanager van het bedrijf, zegt dat kinderen robots niet zozeer als objecten zien als wel als verlengstukken van zichzelf, als dingen met karakter en persoonlijkheden. “Ik vind dat een geweldig concept, tot het kind de robot moet bouwen en programmeren”, zegt Hempel. "Dat is het moment waarop de realiteit doordringt hoeveel denk- en knutselwerk er nodig is om een ontwerp te laten werken."

‘Je zegt dat je een revolutie wilt’, zong een sceptische John Lennon. “Nou, weet je, we willen allemaal de wereld veranderen.” Het probleem met de digitale revolutie, zo herhaalt Dean Kamen, is dat het vermogen om met technologie te spelen vaak wordt verward met het vermogen om het te begrijpen.

De 62-jarige ingenieur en ondernemer woont vanuit een zeshoekig huis naar eigen ontwerp aan de rand van Manchester, New Hampshire. Hij draagt wat vrijwel zijn uniform is: een spijkerblouse met open hals en knoopsluiting en een spijkerbroek.

Kamen stopte met studeren om 's werelds eerste draagbare insulinepomp te ontwikkelen. Vervolgens creëerde hij de Segway; een zelfbalancerende robotrolstoel met zes wielen die trappen op en af kan gaan; en een elektrische generator die op koeienmest kan draaien en daarnaast drinkwater kan produceren. Van al zijn uitvindingen – en Kamen heeft 441 buitenlandse en binnenlandse patenten – is FIRST degene waar hij het meest trots op is, een grotendeels mentale sport gebaseerd op competitieve robotica.

Hij begon FIRST in 1989 om techniek te demystificeren en een generatie vernieuwers te laten groeien. “Te veel middelbare scholieren in dit land, vooral vrouwen en minderheden, stoppen met de natuurwetenschappen- en wiskundelessen”, zegt hij. “Er is geen stimulans, geen aanmoediging.” Hij betoogt dat er allerlei subtiele belemmeringen en ontmoedigingen bestaan. “Kinderen hebben toegang nodig tot uitdagende, praktische projecten die resulteren in een tastbaar product. In plaats van hen te vertellen waarom abstracte concepten als algebra of trigonometrie belangrijk zijn, zouden natuurkundeleraren moeten zeggen: ‘Laten we bouwen een Lego-robot!’ Met een beetje hulp bouwen de kinderen er een en lost het een probleem op. Plotseling beseffen ze dat wiskunde en wetenschap zeer krachtige hulpmiddelen zijn. Opeens zijn wiskunde en natuurwetenschappen relevant en leuk.”

Kamen voorziet een tijd waarin jongeren evenveel respect hebben voor baanbrekende wetenschappers als bijvoorbeeld NBA-supersterren. “Het enige wat de Amerikaanse cultuur viert zijn sporthelden”, zegt hij. “Veel atletische tieners denken dat ze een fortuin gaan verdienen door met een basketbal te stuiteren en de volgende LeBron James te worden. Dat is zelfs voor het kleinste percentage van hen niet realistisch. Ingenieur worden wel.” Toch geeft Kamen toe dat de aangeboren verschillen tussen klaslokalen en speelvelden ertoe hebben bijgedragen dat carrières in de sport aantrekkelijker zijn geworden dan carrières in de technologie. “Als atleten samenwerken, heet dat teamwerk”, zegt hij. “Als je samenwerkt in de wetenschapsles, heet dat valsspelen.”

De Robotics Competition – het FIRST-equivalent van de grote competities – begint elk jaar in januari, wanneer een commissie van ingenieurs het spel en de regels van dat jaar onthult. Onder toezicht van ingenieurs, wetenschappers of andere volwassen mentoren hebben teams van middelbare scholieren zes weken de tijd om kleine, onelegante machines uit bouwpakketten te ontwerpen en te bouwen. De enige beperkingen zijn het gewicht (de robot mag niet zwaarder zijn dan 150 pond) en de kosten. (Om economische, in plaats van technische voordelen te verzachten, heeft Kamen een soort salarisplafond van $ 4.000 voor extra onderdelen ingesteld.)

Hoewel elk team voor dezelfde uitdaging staat, bedenken ze enorm verschillende ontwerpoplossingen. Lokale winnaars gaan door naar een van de 58 regionale wedstrijden, waar hun bots strijden om de kans om zich te kwalificeren voor de finale in St. Louis. Het kampioenschap is gestructureerd zoals March Madness, het NCAA Men's Division I basketbaltoernooi. Kamen noemt het de ‘NCAA van de smarts’. Elk van de vier divisies is vernoemd naar een beroemde wetenschapper (Archimedes, Curie, Galileo en Newton). De Final Four wordt gespeeld op het Einstein Field.

Uit een recent onderzoek van de Brandeis University blijkt dat kinderen die meedoen aan roboticawedstrijden meer dan twee keer zoveel kans hebben om een carrière in de wetenschap en technologie na te streven, en bijna vier keer zoveel kans om er een in de techniek te volgen. “De robot is slechts een voertuig”, zegt Kamen. “In zes weken kun je een kind geen zinvolle opleiding geven in robotica, technologie of techniek. Maar door robots te bouwen kun je zelfvertrouwen opbouwen en een serieus begrip krijgen van hoe het leven is voor mensen die aan complexe problemen werken en deze oplossen. Voor veel kinderen heeft robotica het potentieel om te veranderen waar ze hun tijd en aandacht aan besteden.”

Op deze specifieke middag in januari steken ongeveer 750 kinderen, zelfs uit Singapore, hun tijd en aandacht in een EERSTE toernooi op de Universiteit van Delaware. Het is een kruising tussen een wetenschapsbeurs en een 'Big Bang Theory'-kostuumbal en is een van de grootste eendaagse robotica-evenementen van het land. De deelnemers zijn uitgedost als gekke wetenschappers, crashtestdummies en allerlei groteske vragen die zelfs Dr. Seuss niet zou hebben verzonnen.

Tinkertoy-technologie heeft een veldhuis omgetoverd tot een waar hardware-imperium. Werkplaatshokjes zijn volgestouwd met geelbruine ratels en roestige sleutels; brede grijze clusters van wielen, katrollen en verlengarmen; en overal, overal Lego. Op spandoeken staan teamnamen als Bricktastic Builders, the Fellowship of the Brick, Lego-Nardo da Vinci.

Op het speelveld van de Robotics Competition is de meest opvallende confederatie – een kwartet New Jersey-jongens bekend als de Carbonauts – gekleed in een veiligheidsbril, hardloopschoenen en wat lijkt op oranje gevangenis-jumpsuits. “Lego inspireert mij en brengt mij terug naar de realiteit”, zegt Ibrahim Elshahawi, een middelbare scholier die een carrière in de biomedische technologie plant. “Ik heb geleerd dat ik niet zomaar een robot kan bouwen. Mijn ideeën moeten meer georganiseerd en opeenvolgend zijn.”

De jongere deelnemers zijn ongeveer de helft vrouw. In de Robotics Competitie zijn er maar heel weinig meisjes. "Meisjes houden meer van esthetiek, logistiek en detailgericht", zegt een Carbonaut genaamd Charles Verhoog. “Wij houden niet van stijlpunten.”

“Jongens houden ervan dingen kapot te maken”, zegt teamgenoot C.J. Geering.

Een tienermeisje uit een ander team – haar roze lokken doorvlochten met Chinese vingerklemmen – steekt haar hoofd in de Carbonau-groep en roept: ‘Je zou verrast zijn.’

Er klinkt een zoemer. Aangespoord op de tribunes door juichende secties en hyperventilerende ouders, zetten de teams hun folkliftachtige robots op het parcours in beweging. Het doel: rubberen ringen uit een verticale hoop rukken en op horizontale spaken leggen. De Carbonau-bot grijpt, laat vallen, blijft hangen, ramt tegen muren en toch... wint hij op de een of andere manier de hitte.

Als een versleten stockcar wordt de triomfantelijke bot teruggerold naar de ‘pits’, waar de Carbonauts aap met het algoritme, waarbij de snelheid en richtingsvariabelen veranderen. Op de vraag of hij ooit heeft deelgenomen aan een toernooi dat is aangetast door een robotdopingschandaal, zegt teamgenoot C.J. Geering droogjes: “De juryleden vragen ons af en toe om elektriciteitsmonsters, maar tot nu toe is geen van ons besmet. DeHet laatste wat we willen is in een tv-special met Oprah verschijnen.”

Aan de overkant van een scheidingswand zitten Austin Hwa en Thomas McClure, gekleed in karmozijnrode halsdoeken, koksmutsen en koksbuizen, naast een piramide van Legoblokjes. Ze zijn lid van Chef-Bot-Ardees, een contingent van voornamelijk middelbare scholen uit Chadds Ford, Pennsylvania.