Inženirji se strinjajo: narava naredi najboljše robote

S spremstvom sva hodila pet trdnih minut skozi preurejeno skladišče iz druge svetovne vojne, ki se je vijelo skozi labirint zatemnjenih hodnikov in kavernozni železniški zaliv, nato pa skozi laboratorij, poln okostij vesoljskih plovil sredi prototipiranja. Končno smo prispeli do delovne mize, kjer mornarica gradi… robotnico.

"Veverica" ​​se nekoliko razteza, saj bo prva popolnoma vgrajena različica pobude za robotsko lokomotiranje v Mezovi tehtnici (MeRLIn) tehtala od 10 do 20 kilogramov, ko bo končala to pomlad - pošast glodavca, po definiciji vsakogar. Robot v svoji trenutni obliki je sestavljen iz pravokotnega razdelilnika in 10. iteracije pasje spojene noge, nameščene na drsni aluminijasti opornici. Svetlo modri 3-D tiskani model v bližini je pokazal, kako bo videti, ko bo dokončan: brezglavi, štirinožni stroj velikosti jorkširskega terierja.

Ko pa so ga inženirji projekta odpustili, da bi mi demonstriral, sem videl, zakaj MeRLIn omenjajo kot veverico: Kljub drobnim motorjem in hidravličnim batom lahko skače kot v peklu.

MeRLIn je le eden izmed zadnjih robotov, ki se jim živali lahko zahvalijo za navdih. Živalsko kraljestvo je polno primerov pametnega zaznavanja in gibanja, učinkovitost pa je kralj v baterijskem svetu avtonomne robotike z omejeno močjo. Sposobnost posnemanja kengurujevega skoka bi na primer ustvarila idealen odmik med močjo in zmogljivostjo: Tetive na grozljivih zadnjih okončinah morskega blaga shranjujejo energijo med vsakim korakom in živalim omogočajo, da potujejo na velike razdalje z razmeroma majhnimi izdatki energije.

Foto: ZDA Naval Research

Biologija stoji za nekaterimi najbolj inovativnimi robotskimi dizajni, ki se pojavljajo danes: poglejte UC Berkeley's Salto, ki ga je navdihnil skok afriški bushbaby, ali mantabot univerze v Virginiji, po vzoru cownose žarkov zaliva Chesapeake.

To je enostavno razumeti, zakaj. Biološko navdahnjeni modeli imajo jasne prednosti, ko gre za izvajanje nalog, za katere je človeška oblika slabo prilagojena. Od drobnih muh do globokomorskih rib in celo mikrobov (nekatere gorivne celice poganja mikrobna kemija) je narava nanizala in izoblikovala neverjetno učinkovite načine za opravljanje delovnih mest. Z milijoni let evolucije so bile živali neverjetno učinkovite pri opravljanju svojih nalog - letenju, skakanju, hoji in plavanju; zaznavanje v nevidnih spektrih; in verjetno več sposobnosti, ki jih še nismo odkrili.

Toda bio roboti, ki jih danes gradijo, še zdaleč niso mehanske replike živali, napredujejo cilju destilacije teh elegantnih bioloških rešitev. Zdaj je treba razmisliti, kakšne so te strategije, jih sestaviti v svoje bistvene bistve in jih uporabiti za naše lastne namene. Medtem ko znanstveniki in inženirji gradijo komponente, ki se lahko bolje gibljejo, procesorji, ki lahko razmišljajo globlje, in senzorji, ki lahko zaznajo bolj natančno, čeprav vse skupaj vstavimo v resnično funkcionalen, množično izdelan paket, ostaja nedostopna naloga.

Padec pred hojo

Če se MeRLIn zdi znan - no, bi moral. Glen Henshaw, vodilni preiskovalec projekta, je dejal, da se njegova ekipa ne trudi, da MeRLIn navdihujejo veliko večji in težji predniki, ki so že našli dobro mero internetne slave, med drugim Boston Dynamics 'L3 ter Big Dog in MIT's Gepar.

Foto: ameriški pomorski raziskovalni laboratorij / Victor Chen

Kar si prizadevajo inženirji Navy Research Lab, je manjši, tišji in okretnejši robot, za katerega ne potrebujejo dveh privezanih mladih marincev, da bi preverili morebitne nevarnosti. Toda gradnja MeRLIn-a ni tako preprosta, kot zgolj določanje velikosti vseh delov, da bi naredili robota, ki se lahko prilega v vojaški nahrbtnik. To je tudi postopek razumevanja, kako in zakaj delujejo določene grede, zakaj so te lastnosti primerne za različne terene in kako sestaviti robota, ki se lahko nauči prilagoditi in izbrati prave.

Inženir nadzorovanja Joe Hays je prišel na klop MeRLIn-a v računalnik vnesel več testnih ukazov, s čimer je noga robota trzala in trkala. Ko je odstranil oporno opornico, je MeRLInova enojna noga pod lastno močjo držala opečno veliko telo, zdaj napolnjeno s hidravlično tekočino.

Kmalu pozneje je noga z grmenjem strele zletela merRLin skoraj tri metre v zrak, vodila navzgor in nazaj k mizi po navpični kovinski tirnici. Ponovil to vajo še trikrat, je robot po enem zadnjem močnem skoku udaril v strop svojega zaščitnega prostora in tako močno pristal, da se je njegova noga podrla.

"Veliko je, kar še vedno ne vemo o premikanju živali, odkrito povedano, " je dejal Henshaw. "In živčno-mišičnega sistema res ne razumemo tako dobro, kot bi si želeli. Poskušamo nekaj zgraditi, ne da bi natančno vedeli, kako mora hoditi."

Skupina še vedno obravnava še nekaj težav s hidravliko, vendar je našla dober uspeh s prilagodljivim algoritmom, ki preverja in odpravlja negotovosti v vezju strojne opreme s hitrostjo enkrat na milisekunde. Pričakujejo, da bodo poskušali v nekaj mesecih skočiti s tal na mizo.

Na univerzi v Pensilvaniji sta Avita De in Gavin Kenneally's Minitaur še en nedavni super majhen, lahek štirikolesnik, ki je nastal pod vodstvom Dan Koditscheka. Tehta komaj 14 kilogramov, njihov mali bot ima ljubečo, omejujočo hojo. Navdušenje se hitro spremeni v čudenje, ko gledate video posnetke njihovega ustvarjanja, ki se vzpenjajo po stopnicah, plezajo po ograjah in skačejo, da bi odklenili kljuko vrat.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De in Kenneally drastično razrešeta glavnino svojega bota s tem, da sta namesto tradicionalnih nog z gnanimi ročicami uporabila noge z neposrednim pogonom. Motorji delujejo kot povratni senzorji na robotsko programsko opremo, zaznavajo in prilagajajo navor, ki ga oddajajo 1.000 krat vsako sekundo. Rezultat je robot, ki se lahko počasi ali hitro pripelje, se povzpne po stopnicah in skoči navzgor in zamahne niz nog, da priklene kljuko na vratih, da se odpre.

Čeprav je še vedno daleč od avtonomnih, manjkajočih senzorjev in krmilnih sistemov, ki bi mu omogočali prosti doseg, Minitaurjevo edinstveno, nastavljivo pogo-stick delovanje dokazuje, da je okretnost mogoča tudi brez velikih, močnih pogonskih mehanizmov. Izdelana je tudi iz komercialno dostopnih delov.

"Jasno je, da obstaja veliko motivacije za noge, vendar trenutno stanje tehnologije ni dovolj zrelo in pretirano drago, " je dejal De in se skliceval tudi na robota Boston Dynamics 'Atlas - več kot sposoben, vendar lastniški in drag, zato ne enostavno podvojeno "Želeli smo narediti robota, ki bo dostopen drugim ljudem, da bi lahko poskusili implementirati platformo za svoje aplikacije."

Slithery rešitve

Po lastnem priznanju se Howie Choset boji kač. Torej je čudno ironično, da se njegova najbolj znana dela najbolje opišejo kot kačji.

Choset, izredni profesor na univerzi Carnegie Mellon v Pittsburghu, že od diplomiranega študenta sodeluje z robotskimi kačami in je lotil litanije dosežkov. Vodi CMU-jev inštitut za robotiko - laboratorij, kjer se v številnih stvaritvah v teku pojavljajo telesni segmenti kač. Je tudi urednik nedavno objavljene revije Science Robotics in je avtor učbenika o načelih gibanja robotov.

In da bi ostal zaposlen, je ustanovil tudi dve podjetji: Hebi Robotics in Medrobotics. Slednje napredno endoskopsko kirurško orodje, robotski sistem Flex, je leta 2015 prejelo odobritev FDA. Čeprav Choset zdaj ni več formalno povezan z Medrobotics, je dejal, da je gledanje operacije v živo, v kateri je bil robot, vrhunec njegove poklicne izkušnje.

Foto: Vljudnost Howie Choset

Choset razpravlja o tem, ali so Flex navdihnili kače; dejal je, da je robotova serpentinska oblika zasnovana z upogibami človeškega notranjega prostora. Toda druga, novejša dela so zagotovo vključevala gledanje kač in modeliranje robotov po njih, zlasti s sodelovanjem z Georgia Tech-om Dan Goldmanom, fizikom, katerega raziskovanje biomehanike je privedlo do ustvarjanja robotov, ki so bili navdihnjeni z gibanjem rakov, morskih želv., ščurki, blatniki in peskice.

Choset priznava tudi vpliv enega od prvotnih pionirjev biološko navdihnjene robotike Roberta Fullta, ki vodi laboratorij UC Berkeley Poly-Pedal. S študijem, kako se ščurki premikajo in kako se gekoni vzpenjajo po navpičnih površinah, Full, Choset in drugi skušajo te skrivnosti spraviti v splošna načela oblikovanja, ki jih je mogoče uporabiti na nove načine.

"Bi morali kopirati biologijo? Ne. Za to vprašajte biologa, " je dejal Choset. "Hočemo, da izberemo najboljša načela in od tam odidemo."

Skupaj sta Choset in Goldman skupaj z Josefom Mendelsonom iz živalskega vrta Atlante preučevala gibanje stranskih kač, ki so na koncu okarakterizirali njihove premike v obliki ostrenja kot vrsto valov, ki spreminjajo obliko. Če so to znanje uporabili pri programiranju svojih robotskih kač, jih je Chosetova ekipa lahko spravila na plezanje nad nasipi peska, kar je bila prej nemogoča naloga. Razumevanje, kako kače spreminjajo svojo obliko telesa, je omogočilo tudi, da je Choset zgradil robotske kače, ki lahko prestavljajo stebre in notranjost vratnih nadstreškov, kar je po njegovem mnenju izjemno koristno za raziskovanje nevarnih notranjosti - recimo, jedrske elektrarne ali nedostopne meje arheološkega najdišča.

"Ponižan sem nad dejstvom, da je biologija tako zapletena in si lahko le upam, da jo bomo malo vzeli in jo dali v svoje robote, " je dejal Choset. "Toda živali ne razmnožujemo do te mere in sposobnosti, ki jo imajo živali. Kar hočemo, je graditi mehanizme in sisteme, ki imajo velike zmogljivosti."

Opis njegovega napredka ter dosežkov in odkritij študentov kot dokaj redkih velja tudi za to, kako bodo roboti, kot so ti, zoreli v svet, ko bodo zoreli. Počasi, v majhnih korakih, raziskovanje prihaja tja, je dejal.

"Tudi evolucija je nenavadna, " je zatrdil Choset. "Ni nobene prelomne točke, le zaporedje dogodkov, ki je videti od zunaj, je videti kot velik preboj."

Kritični križanec

V glavnem ne moremo pričakovati, da bodo inženirji vedeli, kako deluje biologija, zaradi česar je sodelovanje med inženirji in biologi kritično. Na univerzi v Chicagu je biolog Mark Mark Westneat, raziskovanje rib, razreda rib, privedel do sodelovanja z mornarico, zaradi česar je prišlo do počasnega, a gibčnega podvodnega drona, ki lahko lebdi v mestu. Znane kot WANDA (ki pomeni "Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"), ki jih je spodbudil Wrasse, bodo droni, kot so ti, uporabni pri pregledu ladijskih trupov, pomolov in naftnih ploščad.

Fotografiranje na visoki hitrosti je bilo osrednje pri prizadevanju pred skoraj 20 leti, ko je Westneat prvič začel izvajati slikovne študije naramnic in preden se je mornarica zanimala za delo. V pretočnem rezervoarju s konstantnim tokom, ki ga Westneat imenuje "tekalna steza za ribe", wrases srečno plavajo po njem, pri čemer uporabljajo samo svoje prsni plavuti za vzdrževanje fiksnega položaja v rezervoarju, medtem ko visoke hitrosti kamere zajamejo vse podrobnosti tega gibanja na 1.000 sličic na sekundo.

Foto: ameriški pomorski raziskovalni laboratorij / Victor Chen

V kombinaciji z zelo podrobnim znanjem biologov o anatomiji rib - kako se plavutni žarki pritrdijo na njegove mišice, kako se živčni končiči v membranih plavuti prenašajo napetosti in napetosti - fotografija omogoča poglobljeno znanje o tem, kako natančno se mosti poganjajo skozi vodo z zvijanjem in torzijo njihovega značilnega pingvinu podobnega udarnega loputa. Jason Geder, vodilni inženir pri projektu WANDA pri NRL, je dejal Jason Geder, vodilni inženir pri projektu WANDA pri NRL.

"Tradicionalna vozila s propelerjem ali potisnimi vozili nimajo takšne manevrske sposobnosti ali imajo previsokega polmera zavoja, " je dejal Geder. "To je bilo dobro modeliranje rib, saj če bi želeli imeti tožek trup za tovor na sredini vozila, bi lahko dosegli podobne zmogljivosti samo z uporabo takšnega gibanja prsnih plavuti."

Westneat meni, da novejše 3D-fotografske zmogljivosti lahko raziskave še izboljšajo. "Za ribe je to življenje ali smrt, za nas pa boljše razumevanje učinkovitosti lahko pomeni boljšo porabo baterije, " je dejal Westneat. "Resnično bi radi tesno posnemali osnovno skeletno strukturo in mehanske lastnosti membran ter videli, ali lahko dosežemo super visoko učinkovitost."

Biološka zbirka muzejev je še en bogat in premalo izkoriščen vir za raziskovalce. Smithsonian, na primer, v svoji zbirki vretenčarjev hrani skoraj 600.000 primerkov, na teh gospodarstvih pa je črpal Rolf Müller iz Virginia Tech-a za svoje delo na brezpilotnih brezpilotnih letalih. Mueller je s pomočjo 3D-skeniranja ušes in nosov iz Smithsoniana ustvaril podobne strukture za svoj leteči robot, s pomočjo katerega lahko poroča o povratnih informacijah s testnimi vožnjami z z vrsticami.

"Našteli ste milijone primerkov v predalih, do katerih lahko zelo hitro dostopate, " je dejal Müller. Sodeloval je pri ustanovitvi konzorcija muzejskih strokovnjakov in raziskovalcev, ki bi pripomogel k temu, da bi bile takšne zbirke po vsej državi bolj dostopne za napredovanje z bioinspiracijo.

In potem, ne glede na to, ali vir plava v rezervoarju ali leži v predalu za shranjevanje, prevajanje teh podatkov v uporabno obliko ostaja izziv. "Vaš tipični inženir si želi očala, vendar jim biolog morda preda anatomske risbe, " je dejal Westneat.

Šele ko je sam začel nekaj teh inženirskih pogovorov, je ugotovil, da lahko njegovo delo zagotavlja mehanske podatke o gibanju rib, ki bi se lahko prevedli v motorno silo in sile, podatkovni inženirji pa morajo izdelati delujoč stroj. "To so stvari, na katere lahko vpliva naravna selekcija, vendar tudi razlikujejo avtonomno vozilo, ki se vrne na ladjo ali ne."

Nazaj v šolo

Učenje, spomin in prilagajanje so v celoti drugi izzivi. Nazaj v predelanem skladišču mornarice se ekipa MeRLIn še vedno ukvarja predvsem s težavami miniaturizacije. A vsi se preveč zavedajo, da robot, ki ga predvidevajo, ne bi bil popoln brez sposobnosti učenja, zapomnjenja in prilagajanja.

Henshaw, ki doma goji ovce, ko ni v laboratoriju, je dejal, da gledanje novorojenih jagnjet v nekaj urah od vlažne kopice do hoje poudarja, da je težko umetno ponoviti ta postopek. "Nikogar, ki resnično razume, kako to deluje, " je Henshaw povedal o nevronskih spremembah, ki jih potrebujejo jagnjeta, da nenehno prilagajajo svoje gibanje na hitre spremembe telesne mase, ko rastejo v ovce. Eden od pristopov njegove ekipe se loti te strategije je pisanje programske opreme, ki jim omogoča, da spremenijo način ustvarjanja potekov MeRLIn.

Henshaw je ločeno del drugega projekta razvoja biološko navdihnjenega učnega sistema. Pokazal mi je video posnetek robotske noge, ki je brcnil žogo v majhen nogometni gol. Po treh programiranih brcih noga sam 78-krat večkrat sam žogico, sistematično izbira svoje tarče in spremlja svoje uspehe in neuspehe. Nadaljnje izpopolnjevanje in uporaba na robotu, kot je MeRLIn, bi takšna koda olajšala, da se pohodni robot sam prilagodi različnim utežem ali dolžini nog.

"Veliko projektov ima enačbe, ki določajo, kako v realnem času optimizirati težišče ali gibanje z velikimi matematičnimi enačbami, " je dejal Henshaw. "Deluje, vendar ni ravno biološki. Ne morem trditi, da se algoritem, ki sem ga napisal, točno dogaja v možganih, vendar se zdi, da se nekaj dogaja. Ljudje se naučijo plezati po drevesih in brcati kroglice s prakso, ne z numerično optimizacijo."

Globoko učenje in dostop do zbranega znanja bi verjetno pospešil ta proces, je še dodal Henshaw, vendar pa strojna oprema še ni dovolj robustna ali dovolj majhna, da bi se lahko prilegala nečemu tako majhnemu kot MeRLIn. "Če želite te majhne robote, moramo izboljšati algoritme, ampak strojno opremo, ki jo izvajajo, " je dejal. "V nasprotnem primeru bo potreben prevelik računalnik z prevelikimi baterijami in preprosto ne bo deloval."

Trg v nastajanju

Bližnjice, ki jih ponuja biologija za ustvarjanje inovativnih telesnih platform in strategij premikanja, lahko prav tako pomagajo k bolj biološko navdihnjenim robotom ekonomsko učinkovitejše. Choset ni edini akademik, ki je ustanovil podjetje za pomoč pri napredovanju praktičnih aplikacij za svoje stvaritve; v resnici Eelume, ki jo je ustanovila norveška profesorica robotske univerze Kristin Ytterstad Pettersen, trenutno trži lastno robotsko plavalno kačo za podvodno raziskovanje in inšpekcijske naloge. In De in Kinneally sta ustanovila Ghost Robotics, podjetje, ki trži Minitaurja.

V igri se vključujejo tudi velika zasebna podjetja. Boston inženiring je v zaključnih fazah vodenja demonstracij s svojim morskim inšpekcijskim robotom, ki so ga poimenovali BioSwimmer. Ta bot ni navdihnjen samo s tuno - njegovo celotno zunanje telo temelji na pregledu pet metrov dolgega modroplavutega tuna, ki so ga ujeli v bližini poslovalnic podjetja v Walthamu, MA. Tako kot pri živi tuni, pogonska moč izvira iz repa, kar omogoča, da se sprednja polovica vozila zloži s senzorji in koristnimi obremenitvami. Cilj ni bil posnemati tune, ampak izkoristiti učinkovitost in visoko zmogljivost živali.

Mike Rufo, direktor skupine za napredne sisteme podjetja Boston Engineering, je dejal, da biološki vidiki zasnove niso olajšali gradnje, ampak tudi ne povzročajo dodatnih težav. Rufo trdi, da je podjetje BioSwimmer zgradilo pet metrov in 100 funtov za približno enake stroške kot podobni projekti - približno milijon dolarjev - in da bo cenovno podobno kot pri drugih vozilih svoje velikosti. Učinkovitost gibanja, ki jo ponuja pogonska strategija s tunami, pa omogoča, da deluje dlje od standardnih virov energije.

"Obstaja nekaj tehničnih ovir, ki so na poti, skupaj z bioinspirirano robotiko, " je dejal Rufo. "Toda bioinspiracija ponuja priložnosti, da se neposredno obrnete nanje ali izboljšate zmogljivosti na način, ki ublaži vpliv teh izzivov. Na primer, kljub nekaj res kul napredka na področju tehnologije baterij, smo na planotu, koliko moči lahko vključite v nekaj določene velikosti. Če pa se lahko lotite učinkovitosti sistema, morda baterija na vas ne vpliva toliko. To je eno področje, kjer ima bioinspiracija veliko vlogo. " Kljub temu meni, da roboti, kakršni so ti, v obrambnih aplikacijah ali kako drugače ne bodo običajni vsaj naslednjih pet do 10 let.

Ne glede na monumentalne izzive, ki jih je treba prevladati, preden v vsakdanjem življenju ne bomo imeli preveč grozljivih robotskih pomočnikov, je bilo v zadnjih nekaj letih narejenih ogromno napredka, da bi lahko zajameli, kaj sta jasno povedala biologija in evolucija: osupljiva sposobnost organizmov prilagajati in izvajati.

"Včasih se zdi, da je Sizif, ja, " je dejal Westneat. "Gledam te vodne robote in zdijo se mi nerodni; potem pa sem navajena videti te graciozne živali, ki plavajo skozi koralni greben. Toda ni preveč odveč misliti, da se lahko inženirji in biologi zberejo in ustvarijo robote, ki jih vržete v vodo, ki sami plavajo. Vse je navdušujoče."