Inženjeri se slažu: priroda čini najbolje robote

Moja pratnja i ja šetali smo pet čvrstih minuta kroz preuređeno skladište iz II svjetskog rata, vijugajući kroz labirint prigušenih hodnika i šupljinskog željezničkog zaljeva, zatim kroz laboratorij pun skeleta letjelica usred prototipiranja. Konačno smo stigli do radnog mjesta na kojem gradi mornarica… vjeverica robota.

"Vjeverica" ​​pomalo rasteže, jer će prva potpuno izgrađena verzija Inicijative robotske lokomotive Meso-skali (MeRLIn) težiti od 10 do 20 kilograma kad završi ovo proljeće - čudovište glodavaca, prema bilo kojoj definiciji, Robot u svom trenutnom obliku sastoji se od pravokutnog razdjelnika i desete iteracije nogu u obliku psa, postavljene na kliznoj aluminijskoj potpornici. Svijetloplavi 3-D tiskani model u blizini pokazao je kako će izgledati kad bude kompletan: stroj bez glave bez četri nogu, veličine yorkshire terijera.

Ali kad su ga inženjeri projekta otpustili kako bi mi demonstrirali, vidio sam zašto se MeRLIn odnose kao vjeverica: Unatoč svojim sitnim motorima i klipima s hidrauličkim pogonom, ona može skakati poput pakla.

MeRLIn je samo jedan od nedavnih robota koji životinjama treba zahvaliti na njihovoj inspiraciji. Životinjsko kraljevstvo obiluje primjerima pametnog osjetila i pokreta, a učinkovitost je kraljiva u baterijskom svijetu autonomne robotike, sa ograničenom snagom. Na primjer, sposobnost oponašanja kengurujevog skoka ostvarila bi idealan pomak između snage i performansi: Tetive ovih strašnih udova marsupala pohranjuju energiju između svakog koraka, omogućujući životinjama da putuju na velike udaljenosti s relativno malim troškovima energije.

Foto: američka pomorska istraživanja

Biologija stoji iza nekih od najinovativnijih robotskih dizajna koji se pojavljuju danas: Pogledajte UC Berkeley's Salto, nadahnut afričkim grmljem koji skače, ili mantabot Sveučilišta u Virginiji, po uzoru na kanozne zrake zaljeva Chesapeake.

Lako je vidjeti zašto. Biološki nadahnuti dizajni imaju jasne prednosti kada je riječ o izvršavanju zadataka za koje je ljudski oblik slabo prilagođen. Od sitnih muha do dubokomorskih riba, pa čak i mikroba (neke gorivne ćelije pokreće mikrobna kemija), priroda je smišljala i ugađala nevjerojatno učinkovite načine da biste dobili posao. Milijuni godina evolucije učinili su životinje nevjerojatno učinkovitim u obavljanju poslova - leti, skače, hoda i pliva; osjetiti u nevidljivim spektrima; i vjerojatno više sposobnosti koje još nismo otkrili.

Ali daleko od toga da su to mehaničke replike životinja, bio-roboti koji se danas grade napreduju cilju destilacije ovih elegantnih bioloških rješenja. Sada je uvidjeti što su te strategije, oblikovati ih u svoje glavne suštine i iskoristiti ih u naše vlastite svrhe. Dok znanstvenici i inženjeri grade komponente koje se mogu bolje kretati, procesori koji mogu razmišljati dublje i senzori koji mogu preciznije detektirati, no spajanje svega zajedno u zaista funkcionalan, masivno pogodan paket ostaje nedostižan zadatak.

Pad prije hodanja

Ako MeRLIn izgleda poznato - dobro, trebalo bi. Glen Henshaw, vodeći istraživač projekta, rekao je da se njegov tim ne mrzi zbog činjenice da MeRLIn potiče od mnogo većih i težih predaka koji su već pronašli dobru mjeru internetske slave, uključujući Boston Dynamics 'L3 i Big Dog i MIT's Gepard.

Foto: američki laboratorij za pomorska istraživanja / Victor Chen

Ono što inženjeri Mornaričkog istraživačkog laboratorija ciljaju je manji, tiši i okretniji robot, za kojeg nisu potrebna dva mlada marinca da ga postave kako bi provjerili potencijalne opasnosti. Ali izgradnja MeRLIn-a nije tako jednostavna kao što je samo skaliranje svih dijelova kako bi se napravio robot koji se može uklopiti u vojnički ruksak. To je ujedno i proces razumijevanja kako i zašto određene poteze funkcioniraju, zašto su te poteze prikladne za različite terene i kako izraditi robota koji može naučiti prilagoditi i odabrati prave.

Došavši na MeRLinovu klupu, inženjer kontrolera Joe Hays unio je u računalo nekoliko ispitnih naredbi, praveći robota i trzanje nogu. Nakon što je skinuo potporni nosač, MeRLIn-ova jedina noga držala je tijelo veličine opeke pod vlastitom snagom, sada napunjenom hidrauličkom tekućinom.

Trenutak kasnije, s grmljavinom, noga je lansirala merRLin gotovo tri metra u zrak, vodeći je gore i natrag stolu svojom okomitom metalnom šinom. Ponovivši ovu vježbu još tri puta, robot je nakon jednog posljednjeg, snažnog skoka, udario u strop svog zaštitnog kućišta, slećući tako snažno da mu se noga srušila.

"Iskreno, još uvijek ne znamo životno kretanje životinja", rekao je Henshaw. "I mi stvarno ne razumijemo živčano-mišićni sustav onako kako bismo željeli. Pokušavamo izgraditi nešto bez da točno znamo kako treba hodati."

Tim još uvijek razrađuje nekoliko problema s hidraulikom, ali dobro je uspio s adaptivnim algoritmom koji istražuje i ispravlja nesigurnosti u hardverskom krugu brzinom jednom u milisekundi. Očekuju da će pokušati da skoknu s tla na radni stol u roku od nekoliko mjeseci.

Na Sveučilištu u Pennsylvaniji, Avik De i Gavin Kenneally's Minitaur, još je jedan novi, vrlo mali, lagani četveronožni, stvoren pod vodstvom Dana Koditscheka. Teži jedva 14 kilograma, njihov mali bot ima dražesnu, ograničenu pokret. Zadovoljstvo se brzo pretvara u čudo kad gledate video zapise njihovog stvaranja kako se penje uz stepenice, penje ograde i skačete da otkopčate kvaku na vratima.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De i Kenneally drastično su rezali većinu svog robota koristeći slobodne njihanje, noge s izravnim pogonom, umjesto tradicionalnih nogu s pogonom na zupčanike. Motori djeluju kao povratni senzori na softver robota, otkrivajući i podešavajući zakretni moment koji isporučuju 1.000 puta svake sekunde. Rezultat je robot koji se može polako ili brzo vezati, penjati se stubama, skakati gore i ljuljati skup nogu oko vrata kako bi ga otvorio.

Iako je još uvijek daleko od autonomnih, nedostajućih senzora i upravljačkih sustava koji bi mu omogućili slobodan domet, Minitaurova jedinstvena podesiva pogo-stick akcija pokazuje da je okretnost moguća i bez velikih, moćnih mehanizama pogona. Izrađen je i od komercijalno dostupnih dijelova.

"Jasno je da postoji dosta motivacije za stvaranje nogu, ali trenutno stanje tehnologije nije dovoljno zrelo i neizmjerno skupo", rekao je De, pozivajući se i na robot Boston Dynamics 'Atlas - više nego sposoban, ali vlasnički i skup, tako da nije lako replicirati. "Željeli smo napraviti robota koji je dostupan drugim ljudima kako bi oni mogli pokušati implementirati platformu za vlastite aplikacije."

Slithery rješenja

Prema vlastitom priznanju, Howie Choset boji se zmija. Stoga je ironično ironično da se njegova najpoznatija djela najbolje mogu opisati kao zmijoliki.

Choset, izvanredni profesor na Sveučilištu Carnegie Mellon u Pittsburghu, još je kao diplomski student radio sa robotima zmijama i pratio je litaniju dostignuća. Vodi CMU Institut za robotiku - laboratorij u kojem mnoge kreacije u tijeku imaju ponavljajuće segmente tijela. Urednik je nedavno objavljenog časopisa Science Robotics i napisao je udžbenik o principima pokreta robota.

A samo da bi bio zaposlen, osnovao je i dvije tvrtke: Hebi Robotics i Medrobotics. Potonji napredni endoskopski kirurški alat, Robotski sustav Flex, dobio je odobrenje FDA 2015. godine na upotrebu. Iako Choset sada više nije formalno povezan s Medrobotics-om, rekao je da je gledanje operacije uživo u kojoj se koristi robot vrhunac njegovog profesionalnog iskustva.

Foto: Ljubazno Howie Choset

Choset razmišlja o tome je li Flex inspiriran zmijama; rekao je da je serpentinski oblik robota dizajniran s obzirom na zavoji i obrte ljudskog unutarnjeg prostora. No, drugi, noviji radovi zasigurno su uključeni u promatranje zmija i modeliranje robota nakon njih, posebice kroz suradnju s Georgia Tech-om Danom Goldmanom, fizičarom čije je istraživanje u biomehanici dovelo do stvaranja robota nadahnutih kretanjem rakova, morskih kornjača., žohari, blatnjaci i pješčice.

Choset također priznaje utjecaj jednog od originalnih pionira bio-nadahnute robotike, Roberta Fulla, koji vodi UC Berkeleyov laboratorij Poly-Pedal. Proučavajući kako se žohari kreću i kako se gekosi penju na vertikalne površine, Full, Choset i drugi nastoje te tajne spustiti u opća načela dizajna koja se mogu primijeniti na nove načine.

"Trebamo li kopirati biologiju? Ne. Za to pitajte biologa", rekao je Choset. "Ono što želimo je tretirati najbolje principe i krenuti odatle."

Zajedno, Choset i Goldman, zajedno s Josephom Mendelsonom iz zoološkog vrta Atlante, proučavali su kretanje bočnih zmija, na kraju karakterizirajući njihove pokrete oštrih skretanja kao niz valova koji mijenjaju oblik. Primjenjujući to znanje na programiranje njegovih robotskih zmija, Chosetov tim uspio ih je natjerati da se penju na hrpe pijeska, prethodno nemoguć zadatak. Razumijevanje načina na koji zmije mijenjaju oblik tijela kako bi se snašle okolo, također je omogućilo Chosetu da izradi robote od zmija koji mogu pisati stupove i unutrašnjosti nadvratnika, nešto što on smatra kao izuzetno korisno za istraživanje opasnih unutrašnjosti - recimo, nuklearne elektrane ili nepristupačne granice arheološkog nalazišta.

"Ponižen sam činjenicom da je biologija toliko složena i mogu se samo nadati da ćemo je uzeti malo i staviti u naše robote", rekao je Choset. "Ali ne repliciramo životinje u dobroj mjeri i mogućnostima koje imaju životinje. Ono što želimo je izgraditi mehanizme i sustave koji imaju velike mogućnosti."

Njegov opis vlastitog napretka i postignuća i otkrića njegovih učenika kao prilično ozbiljna svojstva odnosi se i na to kako će roboti poput ovih izlaziti u svijet kako sazriju. Polako, u malim koracima, istraživanje dolazi tamo, rekao je.

"Evolucija je također slučajna", ustvrdio je Choset. "Ne postoji nijedna prekretnica, već samo niz događaja koji se, gledano izvana, izgleda kao veliki proboj."

Kritični crossover

U glavnom, ne može se očekivati ​​da inženjeri znaju kako funkcionira biologija, zbog čega je suradnja između inženjera i biologa kritična. Na Sveučilištu u Chicagu, biolog Mark Mark Westneat, studije klasa riba, doveo je do suradnje s mornaricom, što je rezultiralo usporenom, ali okretnom podvodnom dronom koja može lebdjeti u mjestu. Poznati i pod nazivom WANDA (što znači "Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"), bespilotne letjelice poput ovih bit će korisne za inspekciju brodskih trupa, pristaništa i naftnih postrojenja.

Fotografija velike brzine bila je središnja točka napora prije gotovo 20 godina, kada je Westneat prvi put započeo snimanje slika ratova i prije nego što se mornarica zainteresirala za posao. U protočnom spremniku s konstantnom strujom, koji Westneat naziva "gazište za ribu", vukovi sretno plivaju, koristeći samo svoje prstenaste peraje da bi održali fiksni položaj u spremniku, dok brze kamere bilježe svaki detalj tog pokreta na 1.000 sličica u sekundi.

Foto: američki laboratorij za pomorska istraživanja / Victor Chen

U kombinaciji s vrlo detaljnim znanjem biologa o anatomiji ribe - kako joj se perajske zrake pričvršćuju na mišiće, kako se živčani završeci u membranama peraja prenose naprezanja i napetosti - fotografija omogućuje duboko znanje o tome kako se tačno brkovi provlače kroz vodu s uvijanjem i torzijom svojstvenog pingvinu sličnog hoda zakrilca. Sposobnost vretena da lebdi na mjestu, istovremeno zadržavajući tijelo čak i pri jakim ili fluktuirajućim strujama, čini ga idealnom vrstom za modeliranje novog tipa agilnog podvodnog vozila, rekao je Jason Geder, vodeći inženjer na projektu WANDA u NRL.

"Tradicionalna vozila propelera ili pokretača nemaju takvu upravljivost niti imaju preveliki polumjer okreta", rekao je Geder. "Ovo je bila dobra riba za modeliranje, jer da smo htjeli imati čvrsti trup za teret tereta u središtu vozila, mogli bismo dobiti slične performanse upotrebom ove vrste pomicanja prstenastih peraja."

Westneat smatra da novija 3D fotografska sposobnost može još više unaprijediti istraživanje. "Za ribe je to život ili smrt, ali za nas bolje razumijevanje učinkovitosti može značiti bolju potrošnju baterije", rekao je Westneat. "Mi bismo stvarno željeli usko oponašati temeljnu skeletnu strukturu i mehanička svojstva membrana i vidjeti možemo li postići visoku učinkovitost."

Biološka zbirka muzeja još je jedan bogat i nedovoljno iskorišten resurs za istraživače. Smithsonian, na primjer, u svojoj zbirci kralježnjaka drži gotovo 600 000 uzoraka, a Rolf Müller iz Virginia Tech-a crtao je te građe za svoj rad na bespilotnim dronovima nadahnutim šišmišima. Koristeći 3D skeniranje ušiju i nosova od Smithsoniana, Mueller je stvorio slične strukture za svog letećeg robota kako bi mu pomogao da izvještava o povratnim informacijama putem svojih testnih vođenja zip-lineom.

"Imate ove milijune primjeraka postrojenih u ladicama kojima možete vrlo brzo pristupiti", rekao je Müller. Sudjelovao je u stvaranju konzorcija muzejskih profesionalaca i istraživača kako bi kolekcije poput ove širom zemlje učinile dostupnijim za napredak u bioinspiraciji.

A onda, bez obzira da li izvor pliva u spremniku ili leži u ladici, prevođenje tih podataka u korisni oblik ostaje izazov. "Vaš tipični inženjer želi naočale, ali biolog im može predati anatomske crteže", rekao je Westneat.

Tek kad je i sam započeo neke od tih inženjerskih razgovora, shvatio je da njegov rad može pružiti mehaničke podatke o kretanju ribe, što bi moglo prevesti u motornu snagu i silu, inženjeri podataka moraju proizvesti radni stroj. "To su stvari na koje prirodna selekcija može djelovati, ali također čine razliku između autonomnog vozila zbog čega se vraćaju na brod ili ne."

Natrag u školu

Učenje, pamćenje i prilagođavanje u potpunosti su drugi izazovi. Povratak u prerađeno skladište mornarice, tim MeRLIn još uvijek se primarno bavi problemima minijaturizacije. Ali svi su previše svjesni da robot kojeg predviđaju neće biti potpun bez mogućnosti učenja, pamćenja i prilagođavanja.

Henshaw, koji uzgaja ovce kod kuće kad nije u laboratoriju, rekao je kako promatranje novorođenih janjaca kako odlaze iz vlažne hrpe u hodanje u nekoliko sati, naglašava poteškoće umjetnog ponavljanja tog procesa. "Nema nikoga tko stvarno razumije kako to radi", rekao je Henshaw o neuronskim promjenama potrebnim janjadima kako bi neprestano prilagođavali svoje kretanje brzim promjenama tjelesne mase dok izrastu u ovce. Jedan od njegovih pristupa za rješavanje ove strategije je pisanje softvera koji im omogućuje da promijene način na koji se generiraju MeRLIn potezi.

Henshaw je odvojeno dio drugog projekta razvoja biološki nadahnutog sustava učenja. Pokazao mi je videozapis robotske noge kako ubacuje loptu u mali nogometni gol. Nakon tri programirana udarca noga još 78 puta udara loptu, sustavno birajući vlastite mete i prateći svoje uspjehe i neuspjehe. Daljnje usavršavanje i primjena na robota kao što je MeRLIn, kôd poput ovog olakšao bi, na primjer, hodačkom robotu da se sam prilagodi različitim težinama opterećenja ili duljinama nogu.

"Mnogo projekata ima jednadžbe koje smišljaju kako optimizirati težište ili gibanje pomoću velikih matematičkih jednadžbi u stvarnom vremenu", rekao je Henshaw. "Djeluje, ali nije baš biološki. Ne mogu tvrditi da se algoritam koji sam napisao upravo događa u mozgu, ali čini se da se nešto mora dogoditi. Ljudi nauče penjati se na drveće i udarati kuglice kroz praksu, a ne numeričku optimizaciju."

Duboko učenje i pristup prikupljenom znanju vjerovatno bi ubrzao ovaj proces, dodao je Henshaw, ali opet, hardver nije dovoljno robustan ili dovoljno mali da bi se mogao uklopiti u nešto tako umanjeno kao MeRLIn. "Ako želite ove male robote, moramo poboljšati algoritme već hardver kojim se pokreću", rekao je. "Inače će se uzeti preveliko računalo, s prevelikim baterijama, i jednostavno neće raditi."

Tržište u nastajanju

Prečaci koji biologija pruža za stvaranje inovativnih platformi za tijelo i strategije kretanja također mogu pomoći da se biološki nadahnuti roboti postanu ekonomski održiviji. Choset nije jedini akademik koji je pokrenuo tvrtku koja će pomoći naprednim praktičnim aplikacijama za svoje kreacije; U stvari, Eelume, koju je osnovala norveška profesorica robotike sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju, Kristin Ytterstad Pettersen, trenutno prodaje svoju robotsku plivačku zmiju za podvodne istraživačke i inspekcijske zadatke. A De i Kinneally osnovali su Ghost Robotics, tvrtku koja je plasirala Minitaur.

U igru ​​se uključuju i velike privatne tvrtke. Boston inženjering je u završnoj fazi demonstracija na terenu sa svojim brodskim inspekcijskim robotom, nazvanim BioSwimmer. Ovaj bot nije samo inspiriran tunom - cijelo se njegovo vanjsko tijelo temelji na skeniranju plave tune dugačke pet metara koja je ulovljena u blizini ureda tvrtke u Walthamu, MA. Kao i kod žive tune, pogonska snaga potječe iz repa, omogućavajući prednju polovicu vozila složenu s senzorima i korisnim opterećenjima. Cilj nije bio oponašanje tune, već iskorištavanje učinkovitosti i visokih performansi životinje.

Mike Rufo, direktor grupe za napredne sustave tvrtke Boston Engineering, rekao je da biološki aspekti dizajna ne čine jednostavniju izradu, ali ni to ne stvara dodatne poteškoće. Rufo tvrdi da je tvrtka izgradila BioSwimmer (dugačak pet i 100 funti) za otprilike isti trošak kao i slični projekti - oko milion dolara - i da će se on cijeniti slično kao i druga vozila njegove veličine. No, učinkovitost kretanja koju osigurava pogonska strategija nadahnuta tunama omogućava dulje djelovanje na standardnim izvorima energije.

"Postoji nekoliko tehničkih zapreka koje su na našem putu, zajedno, s bioinspiriranom robotikom", rekao je Rufo. "Ali bioinspiracija nudi prilike da se izravno pozabavi tim ili da poboljša performanse na način koji ublažava utjecaj tih izazova. Na primjer, unatoč nekim stvarno naprednim napretcima u tehnologiji baterija, mi smo na visokoj visokoj razini snage koju možete integrirati u nešto određene veličine. Ali ako se možete pozabaviti efikasnošću sustava, možda vam baterija ne utječe toliko. To je jedno područje u kojem bioinspiracija igra veliku ulogu. " Ipak, on smatra da roboti poput ovih neće biti uobičajena, u obrambenim aplikacijama ili na neki drugi način, barem sljedećih pet do 10 godina.

Bez obzira na monumentalne izazove koji moraju biti nadvladani prije nego što u svakodnevnom životu nemamo previše jezivih robotskih pomagača, čak su i u posljednjih nekoliko godina učinjeni ogromni pomaci u kapsuliranju onoga što su jasno postavili biologija i evolucija: zasljepljujuća sposobnost organizama prilagoditi se i izvesti.

"Čini se da je ponekad sizif, da", rekao je Westneat. "Gledam ove vodene robote i oni mi djeluju nespretno; ali tada sam naviknut vidjeti ove graciozne životinje kako plivaju koraljnim grebenom. Ali nije pretjerano pomisliti da se inženjeri i biolozi mogu okupiti i stvoriti robote koje bacate u vodu koji sami plivaju. Sve je uzbudljivo."