Inžinieri súhlasia: príroda robí najlepších robotov

S eskortami sme spolu päť minút prešli cez prestavaný sklad z druhej svetovej vojny - vinutia bludiskom slabých chodieb a kavernózneho zálivu, potom cez laboratórium plné kostrov kozmických lodí uprostred prototypovania. Nakoniec sme sa dostali k pracovnému stolu, v ktorom stavia námorníctvo… robotická veverička.

„Veverička“ je trochu roztrhnutá, pretože prvá plne zabudovaná verzia Meso-scale Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) bude mať váhu 10 až 20 libier, keď bude hotová tento rok na jar - netvor hlodavca podľa definície niekoho., Robot v súčasnej podobe pozostáva z pravouhlého rozdeľovacieho potrubia a desiateho iterácie psa so spojením, namontovaného na posuvnej hliníkovej vzpere. V blízkosti jasne modro tlačený trojrozmerný model ukazoval, ako to bude vyzerať, keď bude kompletný: bezhlavý štvornohý stroj o veľkosti yorkšírskeho teriéra.

Ale keď ma inžinieri projektu vyhodili, aby mi ukázali, videl som, prečo hovoria o MeRLIn ako veverička: Napriek svojim malým motorom a hydraulickým piestom to môže skočiť ako peklo.

MeRLIn je len jedným z posledných robotov, ktoré majú zvieratá, ktoré im ďakujú za inšpiráciu. Kráľovstvo zvierat je bohaté na príklady šikovného snímania a pohybu a účinnosť je kráľom v autonómnej robotike s obmedzeným výkonom poháňanou batériami. Napríklad schopnosť napodobniť skok klokanov by predstavovala ideálny kompromis medzi silou a výkonom: Šľachy v impozantných zadných končatinách týchto vačkovníkov ukladajú energiu medzi každým krokom, čo umožňuje zvieratám cestovať na veľké vzdialenosti s relatívne malými výdajmi energie.

Foto: US Naval Research

Biológia stojí za niektorými z najinovatívnejších robotických dizajnov, ktoré sa dnes objavujú: Pozrite sa na Salto UC Berkeleyho, inšpirované africkým bushbaby s vysokým skokom alebo mantabot univerzity vo Virgínii, ktorý bol modelovaný po lúčoch krivej vody v zálive Chesapeake.

Je ľahké pochopiť prečo. Biologicky inšpirované dizajny majú jasné výhody, pokiaľ ide o plnenie úloh, pre ktoré je ľudská forma zle prispôsobená. Od drobných mušiek po hlbokomorské ryby a dokonca aj mikróby (niektoré palivové články sú poháňané mikrobiálnou chémiou), príroda podmanila a vyladila úžasne efektívne spôsoby, ako prácu dokončiť. Milióny rokov evolúcie urobili zvieratá neuveriteľne účinnými pri práci, ktorú robia - lietanie, skákanie, chôdza a plávanie; snímanie v neviditeľnom spektre; a pravdepodobne viac schopností, ktoré sme doteraz neobjavili.

Avšak biologické roboty, ktoré sa dnes stavajú, nie sú mechanickými replikami zvierat, ale napĺňajú cieľ destilácie týchto elegantných biologických riešení. Teraz je potrebné analyzovať, aké sú tieto stratégie, rozdeľovať ich do ich hlavných esencií a využívať ich pre naše vlastné účely. Zatiaľ čo vedci a inžinieri stavajú komponenty, ktoré sa dokážu lepšie pohybovať, procesory, ktoré dokážu hlbšie premýšľať, a senzory, ktoré dokážu lepšie odhaliť, ich spájanie do skutočne funkčného, ​​hromadne vyrábateľného balíka však zostáva nepolapiteľnou úlohou.

Padanie pred chôdzou

Ak MeRLIn vyzerá dobre povedané, malo by. Glen Henshaw, hlavný riešiteľ projektu, uviedol, že jeho tím nemá žiadne kosti o tom, že MeRLIn je inšpirovaný oveľa väčšími a ťažšími predchodcami, ktorí už našli dobrú mieru slávy internetu, vrátane spoločností Boston Dynamics 'L3 a Big Dog a MIT's. Cheetah.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Inžinieri Navy Research Lab sa zameriavajú na menšieho, tichšieho a pohyblivejšieho robota, ktorý nevyžaduje dva mladé pásy, aby ich skontroloval. Budovanie MeRLIn však nie je také jednoduché, ako len zmenšiť všetky časti a vytvoriť robota, ktorý sa zmestí do batohu vojaka. Je to tiež proces porozumenia toho, ako a prečo fungujú určité chôdze, prečo sú tieto chôdze vhodné pre rôzne terény a ako zostaviť robota, ktorý sa dokáže naučiť prispôsobovať sa a vyberať tie správne.

Po príchode na lavicu MeRLIn, Controls Engineer Joe Hays vložil niekoľko testovacích príkazov do počítača, čím robil robotu šklbanie a trhnutie nohy. Po odstránení podpornej vzpery jediná noha MeRLIn zdvihla telo svojej tehly pod svoju vlastnú silu, teraz nabitou hydraulickou tekutinou.

O chvíľu neskôr, s bleskom, noha vypustila merRLin takmer tri stopy do vzduchu, vedená hore a späť k stolu pomocou vertikálnej kovovej koľajnice. Robot zopakoval toto cvičenie ešte trikrát a po jednom poslednom, silnom skoku dopadol robot na strop svojho ochranného krytu a pristál tak silno, že sa jeho noha zrútila.

„Je tu veľa vecí, ktoré ešte stále nevieme o živočíšnej lokomócii, úprimne povedané, “ povedal Henshaw. „Skutočne nerozumieme neuromuskulárnemu systému tak, ako by sme chceli. Snažíme sa niečo vybudovať bez toho, aby sme presne vedeli, ako by to malo chodiť.“

Tím stále pracuje na niekoľkých ďalších problémoch s hydraulikou, ale našiel dobrý úspech s adaptívnym algoritmom, ktorý zisťuje a opravuje nejasnosti v obvodoch hardvéru rýchlosťou raz za milisekundu. Očakávajú, že sa do niekoľkých mesiacov pokúsia skočiť zo zeme na stôl.

Na Pennsylvánskej univerzite je Avita De a Minavír Gavina Kenneallyho ďalším veľmi malým, ľahkým štvornásobkom, ktorý bol vytvorený pod vedením Dana Koditscheka. Vážia sotva 14 libier, ich malá topánka má roztomilý, ohraničujúci pohyb. Vytrvalosť sa však rýchlo premení na zázrak, keď sa pri sledovaní videí o ich tvorbe objavujú šplhajúce sa po schodoch, lezeckých plotoch a skákaní, aby sa odomkla kľučka dverí.

Foto: Zdvorilostná robotická duchov

De a Kenneally drasticky znížili väčšinu svojej roboty pomocou nohami s priamym pohonom s voľnými výkyvmi namiesto tradičných nôh poháňaných výstrojom. Motory fungujú ako senzory spätnej väzby k softvéru robota, ktoré zisťujú a nastavujú krútiaci moment, ktorý dodávajú 1 000-krát za sekundu. Výsledkom je robot, ktorý sa dokáže pomaly alebo rýchlo zviazať, stúpať po schodoch a vyskočiť a hojdať okolo nôh, aby ho otvoril kľučkou dverí.

Aj keď to ešte nie je ani zďaleka autonómne, chýbajúce senzory a kontrolné systémy, ktoré by mu umožňovali voľný dosah, jedinečná, nastaviteľná akcia pogo-stick spoločnosti Minitaur demonštruje, že pohyblivosť je možná aj bez veľkých výkonných pohonných mechanizmov. Vyrába sa aj z komerčne dostupných častí.

„Je zrejmé, že motivácia mať nohy má dosť motivácie, ale súčasný stav technológie nie je dostatočne vyspelý a neúnosne drahý, “ povedal De a odvolával sa tiež na robota Atlasu spoločnosti Boston Dynamics - viac ako schopný, ale proprietárny a drahý, takže nie ľahko replikované. „Chceli sme vyrobiť robota, ktorý by bol prístupný iným ľuďom, aby sa mohli pokúsiť implementovať platformu pre svoje vlastné aplikácie.“

Kanálové riešenia

Podľa vlastného priznania sa Howie Choset bojí hadov. Je teda úžasne ironické, že jeho najznámejšie diela možno najlepšie opísať ako hadovité.

Choset, docent na Carnegie Mellon University v Pittsburghu, pracuje s hadými robotmi od doby, keď bol absolventom postgraduálneho štúdia, a nazhromaždil množstvo úspechov. Prevádzkuje robotický inštitút CMU - laboratórium, v ktorom mnohé z prebiehajúcich výtvorov obsahujú opakujúce sa časti tela hadov. Je tiež redaktorom nedávno debutovaného časopisu Science Robotics a je autorom učebnice o princípoch pohybu robota.

A aby zostal zaneprázdnený, založil tiež dve spoločnosti: Hebi Robotics a Medrobotics. Tento moderný endoskopický chirurgický nástroj Flex Robotic System získal v roku 2015 povolenie FDA na použitie. Aj keď Choset už nie je formálne spojený s Medrobotics, povedal, že sledovanie živej operácie, pri ktorej bol robot použitý, bolo vrcholom jeho profesionálnej skúsenosti.

Foto: Zdvorilosť Howie Choset

Vyberte si ukážky toho, či bol Flex inšpirovaný hadmi; povedal, že hadovitá forma robota bola navrhnutá s ohľadom na zvraty ľudského vnútorného priestoru. Ďalšia novšia práca však s najväčšou pravdepodobnosťou zahŕňala pozeranie hadov a modelovanie robotov po nich, najmä prostredníctvom spolupráce s fyzikom Georga Techa Dan Goldmanom, ktorého výskum v biomechanike viedol k vytvoreniu robotov inšpirovaných pohybom krabov, morských korytnačiek., šváby, blatníky a pieskovce.

Choset tiež uznáva vplyv jedného z pôvodných priekopníkov v oblasti bioinšpirovanej robotiky, Roberta Fulla, ktorý prevádzkuje laboratórium Poly-Pedal UC Berkeley. Štúdiom toho, ako sa šváby pohybujú a ako sa gekoni šplhajú na zvislé povrchy, sa Full, Choset a iní snažia tieto tajomstvá uvariť do všeobecných princípov dizajnu, ktoré je možné aplikovať novými spôsobmi.

„Mali by sme kopírovať biológiu? Nie. Požiadajte o to biológa, “ povedal Choset. „Chceme, aby sme vybrali tie najlepšie zásady a odtiaľto odišli.“

Spoločne Choset a Goldman spolu s Josephom Mendelsonom zo Zoo Atlanty študovali pohyb hadov postranných, pričom charakterizovali svoje ostré pohyby ako sériu vĺn posunujúcich tvar. Použitím týchto znalostí na programovanie svojich robotických hadov bol tím Chosetov schopný prinútiť ich šplhať sa po hromade piesku, čo bola predtým nemožná úloha. Pochopenie toho, ako hady menia svoj tvar tela, aby sa dostali okolo, tiež umožnilo Chosetovi stavať hadie roboty, ktoré dokážu zvíjať stĺpiky a vnútorné časti dverových prekladov, čo považuje za mimoriadne užitočné pri skúmaní nebezpečných interiérov - napríklad jadrovej elektrárne alebo neprístupné hranice archeologického náleziska.

„Som ponížený skutočnosťou, že biológia je tak zložitá a môže len dúfať, že ju zoberiem a vložím do našich robotov, “ povedal Choset. „Ale nereplikujeme zvieratá do tej miery, do akej majú zvieratá dostatok. Chceme však vybudovať mechanizmy a systémy, ktoré majú skvelé schopnosti.“

Jeho opis vlastných pokrokov a úspechov a objavov jeho študentov ako pomerne serendipitous sa vzťahuje aj na to, ako sa roboti, ako sú títo, objavia na svete, keď dospievajú. Výskum sa pomaly dostáva v malých prírastkoch.

„Aj evolúcia je náhodná, “ tvrdil Choset. „Neexistuje žiadny zvrátený bod, iba sled vývoja, ktorý z vonkajšej strany vyzerá ako veľký prielom.“

Kritický prechod

Od inžinierov sa väčšinou nedá očakávať, že budú vedieť, ako funguje biológia, čo robí spoluprácu medzi inžiniermi a biológmi kritickými. Na Chicagskej univerzite viedli štúdie biologov Marka Westneata o zábranách, triede rýb, k spolupráci s námorníctvom, čo viedlo k pomaly sa pohybujúcemu, ale agilnému podvodnému podvodníkovi, ktorý sa môže vznášať na svojom mieste. Známy ako WANDA (čo je skratka pre „agilný automat na deformovateľné plutvy s plným povrchom, inšpirovaný Wrasse“), budú podobné drony užitočné pri inšpekciách lodných trupov, móla a ropných plošín.

Vysokorýchlostná fotografia bola stredobodom úsilia takmer pred 20 rokmi, keď Westneat prvýkrát začal robiť obrazové štúdie mračien a predtým, ako sa námorníctvo o prácu zaujímalo. V prietokovej nádrži s konštantným prúdom, ktorú Westneat nazýva „bežiacim pásom pre ryby“, sa šťastne pláva wrasses a pomocou iba svojich prsných plutiev si udržiava pevnú pozíciu v nádrži, zatiaľ čo vysokorýchlostné kamery zachytávajú každý detail tohto pohybu pri 1 000 snímok za sekundu.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

V kombinácii s vysoko podrobnými znalosťami biológov o anatómii rýb - ako sa jej lúče lúčov pripájajú na svaly, ako nervové zakončenie v membránach plutiev prenášajú stres a napätie - umožňuje fotografovanie hlboké znalosti o tom, ako presne sa zábaly pohybujú vodou. s krútením a krútením ich charakteristického tučniaka podobného mávacieho zdvihu. Schopnosť wrasse v podstate sa vznášať na svojom mieste pri zachovaní tela ešte v silných alebo kolísajúcich prúdoch z neho robí ideálny druh na modelovanie nového typu agilného podvodného vozidla, uviedol Jason Geder, hlavný inžinier projektu WANDA v NRL.

„Tradičné vozidlá poháňané vrtuľou alebo pohonom nemajú taký druh manévrovateľnosti alebo príliš vysoký polomer zatáčky, “ uviedol Geder. „Bola to modelka, ktorá bola dobrá, pretože ak by sme chceli mať pevný stred pre užitočné zaťaženie v strede vozidla, mohli by sme dosiahnuť podobný výkon len pomocou tohto druhu pohybu hrudnej plutvy.“

Westneat si myslí, že novšie 3D fotografické schopnosti môžu výskum ešte viac posunúť. „Pre ryby je to život alebo smrť, ale lepšie porozumenie účinnosti pre nás môže znamenať lepšiu výdrž batérie, “ povedal Westneat. „Skutočne by sme chceli veľmi napodobniť základnú štruktúru skeletu a mechanické vlastnosti membrán a zistiť, či môžeme dosiahnuť veľmi vysokú účinnosť.“

Biologické zbierky múzeí sú ďalším bohatým a málo využívaným zdrojom pre vedcov. Napríklad Smithsonian drží takmer 600 000 exemplárov len vo svojej zbierke stavovcov a Rolf Müller z Virginia Tech pri týchto prácach čerpal pre svoju prácu na netopieroch inšpirovaných netopiermi. Mueller vytvoril pomocou 3D skenovania uší netopierov a nosov od Smithsoniana podobné štruktúry, ktoré mu pomohli oznámiť spätnú väzbu prostredníctvom testovacích pokusov vedených zipsom.

„Máte tieto milióny vzoriek zoradených v zásuvkách, ku ktorým máte veľmi rýchly prístup, “ povedal Müller. Podieľal sa na vytvorení konzorcia profesionálov a vedcov múzeí, aby pomohol pri sprístupňovaní takýchto zbierok v celej krajine pre bioinspirovaný pokrok.

A potom, bez ohľadu na to, či zdroj pláva v nádrži alebo leží v zásuvke, preklad týchto údajov do užitočnej formy zostáva výzvou. „Váš typický inžinier chce špecifikácie, ale biológ im môže dať anatomické kresby, “ povedal Westneat.

Až keď sa sám začal venovať niektorým z týchto inžinierskych rozhovorov, uvedomil si, že jeho práca môže poskytnúť mechanické údaje o pohyboch rýb, ktoré sa môžu premietnuť do sily a sily motora, dátoví inžinieri musia vytvoriť pracovný stroj. „To sú veci, na ktoré môže prírodný výber reagovať, ale tiež robia rozdiel medzi autonómnym vozidlom, ktoré ho vracia späť na loď alebo nie.“

Späť do školy

Učenie, pamäť a adaptácia sú úplne iné výzvy. Späť v konvertovanom sklade námorníctva sa tím MeRLIn stále primárne zaoberá problémami miniaturizácie. Všetci si však príliš dobre uvedomujú, že robot, ktorého predvídajú, by nebol úplný bez schopnosti učiť sa, pamätať si a adaptovať sa.

Henshaw, ktorý chová ovce doma, keď nie je v laboratóriu, povedal, že pozorovanie novonarodených jahniat odchádza z vlhkej hromady na chôdzu v priebehu niekoľkých hodín a zdôrazňuje ťažkosti umelého opakovania tohto procesu. „Nie je nikto, kto naozaj chápe, ako to funguje, “ povedal Henshaw o nervových zmenách vyžadovaných od jahniat, aby nepretržite prispôsobovali svoju pohyblivosť rýchlym zmenám telesnej hmotnosti, keď narastajú na ovce. Jeden z prístupov, ktorý jeho tím venuje tejto stratégii, je napísať softvér, ktorý im umožní zmeniť spôsob generovania chôdze MeRLIn.

Oddelene je Henshaw súčasťou iného projektu na vývoj biologicky inšpirovaného vzdelávacieho systému. Ukázal mi video robotickej nohy kopajúcej loptu do malého futbalového cieľa. Po troch naprogramovaných kopoch noha kopne do lopty 78krát viac, systematicky si vyberá svoje vlastné ciele a sleduje svoje úspechy a zlyhania. Ďalej vylepšený a aplikovaný na robota, ako je MeRLIn, kód, ako je tento, by uľahčil chodiacemu robotovi prispôsobiť sa napríklad rôznym hmotnostiam užitočného zaťaženia alebo dĺžkam nôh.

„Mnoho projektov má rovnice, ktoré zisťujú, ako optimalizovať ťažisko alebo pohyb pomocou veľkých matematických rovníc v reálnom čase, “ povedal Henshaw. "Funguje to, ale nie je to presne biologické. Nemôžem tvrdiť, že algoritmus, ktorý som napísal, je presne to, čo sa deje v mozgu, ale vyzerá to, že sa musí niečo diať. Ľudia sa učia liezť na stromy a kopať loptičky cez prax, nie numerickú optimalizáciu. ““

Henshaw dodal, že hlboké vzdelávanie a prístup k zozbieraným poznatkom by tento proces pravdepodobne urýchlili, hardvér však ešte nie je dostatočne robustný alebo malý, aby sa zmestil na niečo také malé ako MeRLIn. „Ak chcete týchto malých robotov, nie je to tak toľko, že musíme vylepšiť algoritmy, ale hardware, na ktorom bežia, “ povedal. „Inak to vezme počítač, ktorý je príliš veľký, s príliš veľkými batériami a nebude to fungovať.“

Rozvíjajúci sa trh

Klávesové skratky, ktoré poskytuje biológia na vytváranie inovatívnych telesných platforiem a lokomotívnych stratégií, môžu tiež pomôcť zvýšiť ekonomickú životaschopnosť biologicky inšpirovaných robotov. Choset nie je jediný akademik, ktorý založil spoločnosť, ktorá pomáha rozvíjať praktické aplikácie jeho výtvorov; V skutočnosti spoločnosť Eelume, ktorú založila profesorka robotiky Nórskej univerzity vedy a techniky Kristin Ytterstad Pettersen, v súčasnosti uvádza na trh svoj vlastný robotický had na plávanie za podvodnými prieskumnými a inšpekčnými úlohami. A De a Kinneally založili spoločnosť Ghost Robotics, spoločnosť, ktorá predáva Minitaur.

Do hry sa dostávajú aj veľké súkromné ​​spoločnosti. Spoločnosť Boston Engineering je v záverečných fázach demonštrácií v teréne so svojím robotom na námornú kontrolu, ktorý sa nazýva BioSwimmer. Tento topánok nie je inšpirovaný iba tuniakom - celé jeho vonkajšie telo je založené na skenovaní päť metrov dlhého tuniaka modroplutvého, ktorý bol ulovený v blízkosti kancelárií spoločnosti vo Walthame v štáte MA. A rovnako ako v prípade živého tuniaka vzniká hnacia sila v chvoste, čo umožňuje stohovať prednú polovicu vozidla senzormi a užitočným zaťažením. Cieľom však nebolo napodobniť tuniaka, ale využiť efektívnosť a vysoký výkon zvieraťa.

Mike Rufo, riaditeľ skupiny vyspelých systémov spoločnosti Boston Engineering, uviedol, že biologické aspekty návrhu neumožňujú ľahšie zostavenie, ale neprinášajú ďalšie ťažkosti. Rufo tvrdí, že spoločnosť postavila BioSwimmer (ktorý je päť stôp dlhý a 100 libier) za približne rovnaké náklady ako podobné projekty - približne 1 milión dolárov - a že bude platiť podobne ako iné vozidlá svojej veľkosti. Účinnosť pohybu, ktorú poskytuje stratégia pohonu s tuniakom, mu však umožňuje pracovať dlhšie pri štandardných zdrojoch energie.

„Existuje niekoľko technických prekážok, ktoré sú v našej ceste kolektívne s bioinspirovanou robotikou, “ povedal Rufo. „Bioinspirácia však ponúka príležitosti na priame oslovenie alebo zlepšenie výkonnosti spôsobom, ktorý zmierňuje dopad týchto výziev. Napríklad, napriek niektorým skutočne skvelým pokrokom v technológii batérií, sme na plošine toho, koľko energie môžete integrovať do niečo určitej veľkosti. Ak však dokážete riešiť efektívnosť systému, potom vás možno batéria príliš neovplyvní. To je jedna z oblastí, v ktorej hrá bioinspirácia veľkú úlohu. ““ Napriek tomu si myslí, že roboti, ako sú títo, nebudú bežní, v obranných aplikáciách alebo inak, najmenej ďalších päť až 10 rokov.

Bez ohľadu na monumentálne výzvy, ktoré sa musia prekonať skôr, ako sa v našich každodenných životoch nestaneme príliš strašidelnými robotickými pomocníkmi, sa za posledných niekoľko rokov urobili obrovské kroky k tomu, aby sme zhrnuli to, čo jasne ukázala biológia a evolúcia: oslňujúca schopnosť organizmov prispôsobiť sa a vykonať.

„Vyzerá to, že niekedy je Sisyphean, áno, “ povedal Westneat. „Pozerám sa na tieto vodné roboty a zdá sa mi, že sú neohrabané, ale potom som zvyknutý vidieť, ako sa tieto pôvabné zvieratá plávajú korálovým útesom. Nie je však príliš poburujúce myslieť si, že inžinieri a biológovia sa môžu spojiť a tvoriť roboty, ktoré hodíte do vody, ktorá pláva sama. Všetko je vzrušujúce. ““