Inginerii sunt de acord: natura face cei mai buni roboți

Însoțitorii și cu mine am mers timp de cinci minute solide printr-un depozit convertit din epoca celui de-al Doilea Război Mondial, trecând printr-un labirint de coridoare slabe și un golf cavernos, apoi printr-un laborator plin de schelete de nave spațiale în mijlocul prototipării. Am ajuns în sfârșit pe bancul de lucru unde se construiește Marina… o veveriță robot.

„Veverița” se întinde puțin, întrucât prima versiune complet construită a Inițiativei de Locomoție Robotică Meso-scale (MeRLIn) va cântări între 10 și 20 de kilograme când se va termina această primăvară - un monstru al unei rozătoare, după definiția oricui. Robotul în forma sa actuală este format dintr-o galerie dreptunghiulară și a 10-a iterație a unui picior cu articulație de câine, montat pe un pivot alunecant din aluminiu. Un model tipărit albastru strălucitor 3-D în apropiere a arătat cum va arăta când va fi complet: o mașină fără cap, cu patru picioare, cu dimensiunea unui terrier Yorkshire.

Însă, când inginerii proiectului l-au tras pentru a-mi da o demonstrație, am văzut de ce se referă la MeRLIn ca veveriță: în ciuda micilor sale motoare și a pistonelor hidraulice, poate sări ca naiba.

MeRLIn este doar unul dintre roboții recente care au animale de a mulțumi pentru inspirația lor. Regatul animalelor este bogat cu exemple de detecție și mișcare inteligente, iar eficiența este rege în lumea roboticii autonome cu putere limitată de baterii. Abilitatea de a imita saltul unui cangur, de exemplu, ar realiza un schimb ideal între putere și performanță: tendoanele formidabile ale membrelor posterioare ale acestor marsupiale depozitează energie între fiecare pas, permițând animalelor să călătorească pe distanțe lungi, cu cheltuieli relativ reduse de energie.

Foto: US Naval Research

Biologia se află în spatele unora dintre cele mai inovatoare modele robotice care apar astăzi: Privește Salto-ul UC Berkeley, inspirat de tufele africane cu sărituri înalte, sau mantabotul Universității din Virginia, modelat după razele de cownose din Golful Chesapeake.

Este ușor să vezi de ce. Modelele inspirate biologic au avantaje clare atunci când vine vorba de îndeplinirea sarcinilor pentru care forma umană este slab adaptată. De la muște minuscule la pești de mare adâncime și chiar microbi (unele celule de combustibil sunt conduse de chimia microbiană), natura a tins și a modificat modalități uimitor de eficiente de a-și duce la bun sfârșit lucrările. Milioane de ani de evoluție a făcut ca animalele să devină incredibil de eficiente la slujbele pe care le fac - să zboare, sări, să meargă și să înoate; sesizarea în spectre invizibile; și probabil mai multe abilități pe care nu le-am descoperit încă.

Dar departe de a fi replici mecanice ale animalelor, bio-roboții construiți astăzi avansează scopul distilării acestor soluții biologice elegante. Împingerea este acum să analizăm care sunt aceste strategii, să le împărtășim în esențele lor principale și să le valorificăm pentru propriile noastre scopuri. În timp ce oamenii de știință și inginerii construiesc componente care se pot mișca mai bine, procesoarele care pot gândi mai adânc și senzori care pot detecta mai fin, totuși, împletirea totul împreună într-un pachet cu adevărat funcțional, producător de masă rămâne o sarcină evazivă.

Căderea înainte de mers

Dacă MeRLIn pare familiar - bine, ar trebui. Glen Henshaw, principalul investigator al proiectului, a declarat că echipa sa nu face niciun fel de oase în legătură cu faptul că MeRLIn este inspirat de strămoși mult mai mari și mai grei, care au găsit deja o bună măsură de faimă pe Internet, inclusiv Boston Dynamics 'L3 și Big Dog și MIT's Ghepard.

Foto: Laboratorul de Cercetări Navale din SUA / Victor Chen

Ceea ce vizează inginerii Laboratorului de Cercetare a Marinei este un robot mai mic, mai liniștit și mai agil, unul care nu necesită doi tineri marini înțepători pentru a-l configura pentru a verifica pericolele potențiale. Dar construirea MeRLIn nu este la fel de simplă ca doar reducerea tuturor părților pentru a face un robot care să se poată încadra în rucsacul soldatului. Este, de asemenea, un proces de înțelegere a modului și de ce funcționează anumite trepte, de ce acele mersuri sunt potrivite pentru terenuri variate și cum se construiește un robot care poate învăța să se adapteze și să le aleagă pe cele potrivite.

Ajuns pe banca MeRLIn, inginerul Controls, Joe Hays, a introdus mai multe comenzi de testare la un computer, făcând piciorul robotului să zvâcnească și să tresară. După ce și-a îndepărtat știftul de susținere, piciorul unic al MeRLIn și-a ținut corpul de cărămidă sub propria putere, acum încărcat cu lichid hidraulic.

Câteva minute mai târziu, cu un spasm fulgerător, piciorul a lansat merRLin aproape trei metri în aer, ghidat în sus și înapoi spre masă prin șina sa metalică verticală. Repetând acest exercițiu încă de trei ori, robotul a lovit tavanul incintei sale de protecție după un ultim salt puternic, aterizând atât de puternic încât piciorul i s-a prăbușit.

„Sincer, încă nu știm despre locomoția animalelor”, a spus Henshaw. „Și chiar nu înțelegem sistemul neuromuscular la fel de bine cum ne-am dori. Încercăm să construim ceva fără să știm exact cum ar trebui să meargă”.

Echipa încă mai rezolvă câteva probleme cu hidraulica, dar a obținut un succes bun cu un algoritm adaptiv care sondează și corectează incertitudinile din circuitul hardware la un ritm de o dată pe milisecundă. Se așteaptă să-l încerce să sară de la sol la un birou în câteva luni.

La Universitatea din Pennsylvania, Avik De și Gavin Kenneally Minitaur este un alt patruped ultra-mic, ușor recent, creat sub îndrumarea lui Dan Koditschek. Cu o greutate de aproape 14 kilograme, micul lor bot are un mers înrădăcinător și mărginitor. Încercarea se transformă rapid în mirare, însă, când vizionezi videoclipuri despre creația lor urcând scări, urcând garduri și sărind pentru a descărca un mâner al ușii.

Foto: Curtoazie Ghost Robotics

De și Kenneally au tăiat drastic cea mai mare parte a botului lor folosind picioare cu tracțiune directă, în loc de picioare tradiționale angrenate. Motoarele acționează ca senzori de feedback la software-ul robotului, detectând și reglând cuplul pe care îl livrează de 1.000 de ori în fiecare secundă. Rezultatul este un robot care poate lega încet sau rapid, să urce scările și să sară în sus și să învârtă un set de picioare în jurul pentru a agăța un mâner de ușă pentru a-l deschide.

Deși este încă departe de autonomie, lipsită de senzori și sisteme de control care să-i permită o gamă liberă, acțiunea unică, reglabilă pogo-stick a lui Minitaur demonstrează că agilitatea este posibilă chiar și fără mecanisme de acționare puternice. De asemenea, este fabricat din piese disponibile comercial.

"În mod cert, există o mulțime de motivații pentru a avea picioare, dar starea actuală a tehnologiei nu este suficient de matură și costisitoare prohibitivă", a spus De, referindu-se și la robotul Boston Dynamics 'Atlas - mai mult decât capabil, dar proprietar și scump, deci nu ușor replicat. „Am vrut să facem un robot care să fie accesibil altor oameni, astfel încât să poată încerca să implementeze platforma pentru propriile lor aplicații.”

Soluții Slithery

Howie Choset se teme de șerpi. Atunci este minunat de ironic faptul că operele sale cele mai cunoscute pot fi cel mai bine descrise ca fiind snakelike.

Choset, profesor asociat la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh, lucrează cu roboți de șarpe de când a fost student, și a acumulat o litanie de realizări. El conduce Institutul de Robotică al CMU - un laborator în care multe dintre creațiile aflate în desfășurare prezintă segmentele repetate ale corpului de șerpi. De asemenea, este redactor al revistei Science Robotics recent debutată și a scris un manual despre principiile mișcării robotului.

Și doar pentru a rămâne ocupat, a fondat și două companii: Hebi Robotics și Medrobotics. Instrumentul chirurgical endoscopic avansat din urmă, Flex Robotic System, a primit aprobarea FDA în 2015 pentru utilizare. Deși acum Choset nu mai este asociat formal cu Medrobotics, el a spus că vizionarea unei operațiuni live în care robotul a fost folosit a fost punctul culminant al experienței sale profesionale.

Foto: amabilitate Howie Choset

Choset se declară dacă Flexul a fost inspirat de șerpi; el a spus că forma de serpentină a robotului a fost proiectată cu învârtirea și transformarea spațiului interior uman. Însă alte lucrări mai recente s-au implicat, cu siguranță, în privirea șerpilor și modelarea roboților după ei, în special prin colaborarea cu Dan Goldman, un fizician al Georgiei, al cărui cercetare în biomecanică a dus la crearea de roboți inspirați de mișcarea crabilor, a broaștelor țestoase marine., gandaci, cârciumi și nisip.

Choset recunoaște, de asemenea, influența unuia dintre pionierii originali ai roboticii bio-inspirate, Robert Full, care conduce laboratorul Poly-Pedal al UC Berkeley. Studiind modul în care gandacii se mișcă și cum ghetourile urcă pe suprafețe verticale, Full, Choset și alții încearcă să reducă aceste secrete în principii generale de design care pot fi aplicate în moduri noi.

"Ar trebui să copiem biologia? Nu. Cereți un biolog pentru asta", a spus Choset. „Ceea ce ne dorim este să alegem cele mai bune principii și să mergem de acolo.”

Împreună, Choset și Goldman, împreună cu Joseph Mendelson, de la Zoo Atlanta, au studiat mișcarea șerpilor laterali, caracterizând în cele din urmă mișcările lor de cotitură ascuțite ca o serie de valuri care schimbă forma. Aplicând aceste cunoștințe la programarea șerpilor săi robotici, echipa lui Choset a reușit să-i facă să clambeze peste movile de nisip, o sarcină anterior imposibilă. Înțelegerea modului în care șerpii își schimbă forma corpului pentru a se autodepăși a permis, de asemenea, lui Choset să construiască roboți de șarpe care să poată scrie posturi și părțile interioare ale scăpărilor, ceea ce consideră el ca fiind eminent de util pentru explorarea interioarelor periculoase - să zicem, o centrală nucleară sau limitele inaccesibile ale unui sit arheologic.

"Sunt umilit de faptul că biologia este atât de complexă și pot doar să sper să o luăm puțin și să o introducem în roboții noștri", a spus Choset. „Dar nu reproducem animalele la nivelul și capacitatea de a avea animalele. Ceea ce dorim este să construim mecanisme și sisteme care să aibă capacități mari.”

Descrierea sa despre propriile sale progrese și despre realizările și descoperirile elevilor săi ca fiind destul de serendipite se aplică și modului în care roboți ca aceștia vor apărea în lume pe măsură ce se vor maturiza. Încet, încetul cu încetul, cercetările ajung acolo, a spus el.

„De asemenea, evoluția este întâmplătoare”, a afirmat Choset. „Nu există niciun punct de răsturnare, ci doar o secvență de evoluții care, văzute din exterior, arată ca o descoperire mare”.

Un crossover critic

În principal, nu se poate aștepta ca inginerii să știe cum funcționează biologia, ceea ce face ca colaborările dintre ingineri și biologi să fie critice. La Universitatea din Chicago, studiile biologului Mark Westneat asupra ierburilor, o clasă de pește, au dus la o colaborare cu Marina, rezultând într-un drone subacvatic cu mișcare lentă, dar agilă, care se poate plasa pe loc. Cunoscute sub denumirea de WANDA (care reprezintă „Automaton Agile Near-shore Deformable-fin Automaton”, inspirat de Wrasse), drone ca acestea vor fi utile pentru inspecția căștilor, stâlpilor și platformelor de petrol.

Fotografia de mare viteză a fost esențială pentru efortul de aproape 20 de ani în urmă, când Westneat a început să facă studii de imagistică a țesăturilor și înainte ca Marina să se intereseze de lucrări. Într-un rezervor cu curent constant, pe care Westneat îl numește „banda de alergare pentru pește”, wrasses înoată de-a lungul fericit, folosind doar aripioarele pectorale pentru a menține o poziție fixă ​​în rezervor, în timp ce camerele de mare viteză captează fiecare detaliu al acelei mișcări la 1.000. cadre pe secundă.

Foto: Laboratorul de Cercetări Navale din SUA / Victor Chen

În combinație cu cunoștințele extrem de detaliate ale biologilor despre anatomia peștelui - modul în care razele sale de alunecare se atașează de mușchii săi, modul în care terminațiile nervoase din membranele finului transmit relații de tensiune și tensiune - fotografia permite o cunoaștere profundă a modului în care exact pâlpile se propulsează prin apă. cu răsucirea și torsiunea cursului lor caracteristic de pâlpâie de tip pinguin. Abilitatea vasei de a zbura în esență, păstrându-și corpul încă în curenți puternici sau fluctuați, face ca aceasta să fie o specie ideală pentru modelarea unui nou tip de vehicul subacil agil, a spus Jason Geder, un inginer principal al proiectului WANDA la NRL.

„Vehiculele tradiționale cu elice sau propulsoare nu au un astfel de manevrabilitate sau au o rază de viraj prea mare”, a spus Geder. "Acesta a fost un pește bun de modelat, pentru că dacă am dori să avem o coca rigidă pentru încărcările utile în centrul vehiculului, am putea obține performanțe similare doar folosind acest tip de mișcare pectorală."

Westneat consideră că o nouă capacitate fotografică 3D poate avansa și mai mult cercetarea. "Pentru pește, este viață sau moarte, dar pentru noi, o mai bună înțelegere a eficienței poate însemna o putere mai bună a bateriei", a spus Westneat. „Am dori cu adevărat să imităm îndeaproape structura scheletică de bază și proprietățile mecanice ale membranelor și să vedem dacă putem obține o eficiență super-înaltă.”

Colecțiile biologice ale muzeelor ​​sunt o altă resursă bogată și subutilizată pentru cercetători. Smithsonian, de exemplu, deține aproape 600.000 de exemplare doar în colecția sa de vertebrate, iar Rolf Müller de Virginia Tech s-a bazat pe aceste exploatații pentru munca sa pe drone inspirate de lilieci. Folosind scanări 3D ale urechilor și nasurilor de lilieci de la Smithsonian, Mueller a creat structuri similare pentru robotul său zburător, care să-l ajute să raporteze feedback prin testele sale ghidate cu linie zip.

"Ai aceste milioane de exemplare aliniate în sertare, pe care le poți accesa foarte repede", a spus Müller. El a fost implicat în crearea unui consorțiu de profesioniști de muzeu și cercetători pentru a ajuta la realizarea unor colecții ca acestea din toată țara mai accesibile pentru avansarea bioinspirată.

Și apoi, indiferent dacă sursa înoată într-un rezervor sau se află într-un sertar de stocare, traducerea datelor într-o formă utilă rămâne o provocare. "Inginerul dvs. tipic vrea specificații, dar biologul ar putea să le înmâneze desene anatomice", a spus Westneat.

Abia când a început să apeleze la unele dintre aceste discuții inginerești, el a realizat că munca sa poate furniza date mecanice ale mișcărilor peștelui care s-ar putea traduce în forțe și forțe motorii, inginerii de date trebuie să producă o mașină de lucru. "Acestea sunt lucrurile asupra cărora poate acționa selecția naturală, dar fac și diferența între vehiculul autonom care îl face înapoi sau nu".

Înapoi la școală

Învățarea, memoria și adaptarea sunt cu totul alte provocări. Înapoi la depozitul convertit al Marinei, echipa MeRLIn este încă angajată în primul rând cu problemele miniaturizării. Cu toții sunt prea conștienți că robotul pe care îl au în vedere nu ar fi complet fără capacitatea de a învăța, de a-și aminti și de a se adapta.

Henshaw, care crește oile acasă atunci când nu este la laborator, a spus că vizionarea mieilor nou-născuți pleacă de la o grămadă umedă la mersul în câteva ore subliniază dificultatea de a reproduce artificial acest proces. „Nu există nimeni care să înțeleagă cu adevărat cum funcționează”, a spus Henshaw despre schimbările neuronale necesare miei pentru a-și adapta continuu locomoția la modificările rapide ale masei corporale, pe măsură ce cresc la oi. O abordare pe care echipa sa o ia pentru a aborda acea strategie este de a scrie software care le permite să schimbe modul în care sunt generate gabaritele MeRLIn.

Separat, Henshaw face parte dintr-un alt proiect de dezvoltare a unui sistem de învățare inspirat biologic. Mi-a arătat un videoclip cu un picior robotizat care aruncă o minge într-un mic gol de fotbal. După trei lovituri programate, piciorul lovește mai mult de 78 de ori mingea, alegând sistematic propriile ținte și urmărind succesele și eșecurile. Mai rafinat și aplicat pe un robot precum MeRLIn, un cod ca acesta ar face mai ușor pentru un robot de mers să se adapteze singur la greutăți utile diferite sau la lungimi ale piciorului, de exemplu.

„O mulțime de proiecte au ecuații care dau seama cum să optimizeze centrul de greutate sau mișcare prin ecuații matematice mari în timp real”, a spus Henshaw. "Funcționează, dar nu este tocmai biologic. Nu pot susține că algoritmul pe care l-am scris este exact ceea ce se întâmplă în creier, dar pare un lucru care trebuie să se întâmple. Oamenii învață să urce în copaci și să lovească cu piciorul bile prin practică, nu prin optimizare numerică ".

Învățarea profundă și accesul la cunoștințele colectate ar accelera probabil acest proces, a adăugat Henshaw, dar, din nou, hardware-ul nu este robust sau suficient de mic pentru a se încadra în ceva la fel de diminutiv ca MeRLIn. „Dacă doriți acești roboți mici, nu este atât de mult încât trebuie să îmbunătățim algoritmii, ci hardware-ul pe care îl rulează”, a spus el. "În caz contrar, va lua un computer prea mare, cu baterii prea mari și pur și simplu nu va funcționa."

O piață emergentă

Comenzile rapide pe care le oferă biologia pentru crearea de platforme inovatoare ale corpului și strategii de locomoție pot ajuta, de asemenea, să facă roboții din punct de vedere biologic mai viabil din punct de vedere economic. Choset nu este singurul academic care a început o companie care ajută la avansarea aplicațiilor practice pentru creațiile sale; de fapt, Eelume, fondată de profesorul de robotică al Universității norvegiene de știință și tehnologie Kristin Ytterstad Pettersen, comercializează în prezent propriul șarpe robot de înot pentru activități de explorare și inspecție subacvatică. Și De și Kinneally au fondat Ghost Robotics, o companie care comercializează Minitaur.

Marile companii private participă și ele la joc. Boston Engineering se află în ultimele etape ale desfășurării demonstrațiilor pe teren cu robotul său de inspecție marină, denumit BioSwimmer. Acest bot nu este doar inspirat de un ton - întregul său corp exterior se bazează pe scanări ale unui ton roșu lung de cinci metri care a fost prins lângă birourile companiei din Waltham, MA. Și ca în cazul unui ton viu, puterea de propulsie își are originea în coadă, permițând jumătate din față a vehiculului să fie stivuită cu senzori și sarcini utile. Scopul nu a fost să imite un ton, ci să valorifice eficiența și performanța ridicată a animalului.

Mike Rufo, directorul grupului de sisteme avansate din Boston Engineering, a declarat că aspectele biologice ale proiectării nu ușurează construcția, dar nici nu a adăugat dificultăți suplimentare. Rufo susține că compania a construit BioSwimmer (care are o lungime de cinci metri și 100 de lire sterline) pentru aproximativ același cost ca proiecte similare - în jur de 1 milion de dolari - și că va avea un preț similar cu alte vehicule de dimensiunea sa. Dar eficiența mișcării oferită de strategia de propulsie inspirată de ton îi permite să funcționeze mai mult timp pe surse de alimentare standard.

"Există câteva obstacole tehnice care sunt în calea noastră, colectiv, cu robotică bioinspirată", a spus Rufo. "Dar bioinspirația oferă oportunități pentru a le adresa direct celor sau pentru a îmbunătăți performanțele într-un mod care să diminueze impactul acelor provocări. De exemplu, în ciuda unor progrese cu adevărat minunate în tehnologia bateriilor, suntem pe un platou cu câtă putere poți integra în ceva de o dimensiune dată. Dar dacă puteți aborda eficiența unui sistem, atunci poate că bateria nu vă afectează atât de mult. Aceasta este o zonă în care bioinspirația joacă un rol important. " Totuși, consideră că roboți ca aceștia nu vor fi obișnuiți, în aplicațiile de apărare sau altfel, cel puțin în următorii cinci-zece ani.

Indiferent de provocările monumentale care trebuie depășite înainte să nu avem ajutoare robotice care nu sunt prea înfiorătoare în viața noastră de zi cu zi, s-au făcut pași uriași chiar și în ultimii câțiva ani pentru a încapsula ceea ce biologia și evoluția au făcut clar: capacitatea orbitoră a organismelor să se adapteze și să performeze.

- Se pare că Sisyphean uneori, da, a spus Westneat. "Mă uit la acești roboți acvatici și mi se par neplăcute; dar atunci, sunt obișnuit să văd aceste animale grațioase înotând printr-un recif de corali. Dar nu este prea scandalos să crezi că inginerii și biologii se pot reuni și crea roboți pe care îi aruncați în apa care înoată singuri. Totul este interesant."