Інженери погоджуються: природа робить найкращих роботів

Ми з супроводом пройшли п’ять суцільних хвилин через перетворений склад Другої світової війни, який проходив через лабіринт тьмяних коридорів та кавернозну залізничну бухту, потім через лабораторію, повну скелетів космічних кораблів посеред прототипування. Нарешті ми дісталися до верстака, де будується ВМС … білка-робота.

"Білка" - це трохи розтягнення, оскільки перша повністю вбудована версія Ініціативи робототехнічного руху "Месо" (MeRLIn) важить від 10 до 20 кілограмів, коли закінчиться цієї весни - монстр гризуна, за визначенням будь-кого . Робот у своєму нинішньому вигляді складається з прямокутного колектора і 10-ї ітерації ноги, що з'єднується з собакою, встановленої на розсувній алюмінієвій підпірні. Яскраво-синя 3-D надрукована модель поблизу показала, як вона буде виглядати, коли буде завершена: безголова чотирилапа машина з розміром йоркширського тер’єра.

Але коли інженери проекту звільнили його, щоб продемонструвати мені, я побачив, чому вони відносяться до MeRLIn як до білки: Незважаючи на свої крихітні мотори та поршневі гідравлічні поршні, він може стрибати як пекло.

MeRLIn - лише один із останніх роботів, у якого тварини дякують за натхнення. Царство тварин рясніє прикладами розумного зондування та руху, а ефективність є коротким у світі автономної робототехніки з обмеженою потужністю. Наприклад, здатність імітувати стрибок кенгуру дала б ідеальну компроміс між потужністю та продуктивністю: Сухожилля у грізних задніх кінцівок сумчастих накопичують енергію між кожним кроком, дозволяючи тваринам проходити великі відстані з відносно невеликими витратами енергії.

Фото: морські дослідження США

Біологія стоїть за деякими найбільш інноваційними роботами-роботами, що з’являються сьогодні: Подивіться на сальто UC Berkeley's, натхнене африканським бурбабі, що стрибає у високу стрибання, або мантаботом університету Вірджинії, модельованим після конопнових променів затоки Чесапік.

Неважко зрозуміти, чому. Біологічно натхненні конструкції мають явні переваги, коли справа стосується виконання завдань, до яких людська форма погано пристосована. Від крихітних мух до глибоководних риб і навіть мікробів (деякі паливні елементи керуються мікробіологією), природа розробила та створила надзвичайно ефективні способи роботи. Мільйони років еволюції зробили тварин неймовірно ефективними в роботі, яку вони виконують - політ, стрибки, ходьба та плавання; зондування в невидимих ​​спектрах; і, ймовірно, більше здібностей, яких ми ще не виявили.

Але далеко не механічні копії тварин, біоботи, що будуються сьогодні, просувають мету перегонки цих елегантних біологічних розчинів. Тепер потрібно проаналізувати, які ці стратегії є, скласти їх у основні сутності та використати їх для власних цілей. У той час як вчені та інженери будують компоненти, які можуть краще рухатись, процесори, які можуть думати глибше, та сенсори, які здатні виявити більш тонко, хоча, зшивання все це у справді функціональний, масово продуктивний пакет залишається невловимим завданням.

Падіння перед ходьбою

Якщо MeRLIn виглядає знайомим - ну, так і слід. Глен Хеншоу, головний дослідник проекту, заявив, що його команда не замислюється над тим, що MeRLIn натхненний значно більшими та важчими предками, які вже знайшли хороший показник популярності в Інтернеті, включаючи L3 Boston Dynamics, L3 та Big Dog та MIT's Гепард.

Фото: Військово-морська лабораторія США / Віктор Чен

Те, до чого прагнуть інженери Військово-морської лабораторії, - це менший, тихіший та спритніший робот, той, якому не потрібні два прив'язування молодих морських піхотинців, щоб встановити його, щоб перевірити потенційну небезпеку. Але побудувати MeRLIn не так просто, як просто зменшити всі частини, щоб зробити робота, який може вміститись у солдатський рюкзак. Це також процес розуміння того, як і чому функціонують певні ходи, чому ці ходи підходять для різних місцевостей і як створити робота, який зможе навчитися адаптуватися та вибирати правильні.

Прибувши на лавку МеРЛІН, інженер управління Джо Хейс ввів декілька тестових команд у комп’ютер, зробивши ноги робота і смикатися. Після того, як він зняв опорну опору, одна нога MeRLIn підняла своє тіло розміром з цегли під власну силу, тепер заряджене гідравлічною рідиною.

Мить, пізніше, з блискавичним спазмом, нога запустила merRLin майже на три фути у повітря, керуючись вгору і назад до столу вертикальною металевою рейкою. Повторивши цю вправу ще три рази, робот ударив об стелю свого захисного корпусу після одного останнього потужного стрибка, приземлившись настільки сильно, що його нога впала.

"Багато є, що ми досі не знаємо про рух тварин, відверто кажучи", - сказав Хеншоу. "І ми насправді не розуміємо нервово-м’язову систему так добре, як хотілося б. Ми намагаємось щось побудувати, не знаючи, як саме воно має проходити".

Команда все ще розробляє ще декілька питань з гідравлікою, але успішно знайшла адаптивний алгоритм, який зондує та виправляє невизначеності в схемі апаратури зі швидкістю один раз на мільсекунд. Вони очікують, що вони спробують стрибнути з землі на стіл протягом декількох місяців.

В університеті Пенсільванії Авітак Де та Гевін Кеннелі «Мінітавр» - це ще один недавній надмалий, легкий чотирилапий, створений під керівництвом Дена Кодітчека. Важить ледь 14 фунтів, їх маленький бот має приємну, обмежувальну ходу. Захоплення швидко перетворюється на здивування, хоча ви дивитесь відео їх створення, що піднімається по сходах, піднімається на паркани і стрибає розв’язати ручку дверей.

Фото: Courtesy Ghost Robotics

Де та Кеннелі різко скоротили основну частину свого бота, використовуючи ноги прямого приводу з прямим приводом замість традиційних ніг, що приводяться в рух. Двигуни виконують функцію датчиків зворотного зв’язку з програмним забезпеченням робота, виявляючи та регулюючи крутний момент, який вони передають 1000 разів щосекунди. У результаті виходить робот, який може повільно або швидко пробиратися по сходах, підстрибувати вгору і розмахувати набором ніг, щоб підключити ручку дверей, щоб відкрити її.

Хоча це все ще далеко від автономних, відсутніх датчиків та систем керування, які дозволяли б забезпечити вільний пробіг, унікальна, регульована дія пого-палка Minitaur демонструє, що спритність можлива навіть без великих потужних механізмів приводу. Він також виготовлений з комерційно доступних деталей.

"Очевидно, що є достатньо мотивації мати ноги, але сучасний стан технології недостатньо зрілий і непомірно дорогий", - сказав Де, маючи на увазі також робота "Atlas Boston Dynamics" - більш ніж здатний, але власний і дорогий, тому не просто тиражувати. "Ми хотіли зробити робота, який був доступний для інших людей, щоб вони могли спробувати реалізувати платформу для власних додатків".

Slithery Solutions

За власним визнанням, Хауї Чосет боїться змій. Це дивно іронічно, що його найвідоміші твори найкраще можна охарактеризувати як зміїчні.

Чосет, доцент університету Карнегі Меллон в Пітсбурзі, працював зі роботами-зміями ще з часів аспірантури, і він зібрав літанію досягнень. Він керує Інститутом робототехніки КМУ - лабораторією, де багато творінь, що перебувають у процесі розвитку, містять повторювані сегменти змій. Він також є редактором нещодавно опублікованого журналу Science Robotics і є автором підручника про принципи руху робота.

І він просто заснував дві компанії: Hebi Robotics і Medrobotics. Останній вдосконалений ендоскопічний хірургічний інструментарій, робоча система Flex, отримав схвалення FDA у 2015 році для використання. Хоча Чосет зараз формально не пов'язаний з Medrobotics, він зазначив, що перегляд операції в прямому ефірі, в якій використовується робот, є найголовнішою точкою його професійного досвіду.

Фото: люб’язно надано Хоуі Чосет

Чосет демурує, чи надихнувся Flex зміями; За його словами, серпантинова форма роботи була розроблена з урахуванням поворотів людського внутрішнього простору. Але інша, більш недавня робота, безумовно, стосується перегляду змій та моделювання роботів після них, особливо завдяки співпраці з Georgia Tech Даном Голдманом, фізиком, дослідження якого в галузі біомеханіки призвели до створення роботів, натхнених рухом крабів, морських черепах., таргани, грязі та піщані рибки.

Чозет також визнає вплив одного з оригінальних піонерів робототехніки натхненника, Роберта Фулла, який керує лабораторією полі-педалей UC Berkeley. Вивчаючи, як рухаються таргани та як гекони піднімаються по вертикальних поверхнях, Full, Choset та інші прагнуть звести ці секрети до загальних принципів дизайну, які можна застосувати по-новому.

"Чи слід копіювати біологію? Ні. Про це запитайте біолога", - сказав Чозет. "Ми хочемо, щоб вибрати найкращі принципи і піти звідти".

Разом Чозет і Голдман, разом із Джозефом Мендельсоном у зоопарку Атланти, вивчали рух змій боковин, врешті-решт характеризуючи їх різко-поворотні рухи як ряд хвиль, що зміщують форму. Застосувавши ці знання до програмування своїх робототехнічних змій, команда Чосета змогла змусити їх забиватися над курганами піску, що раніше було неможливим завданням. Розуміння того, як змії змінюють свою форму тіла, щоб розібратися, також дозволило Чосетові створити роботів-змій, які можуть записувати пости та нутрощі дверних перегородок, що він вважає надзвичайно корисним для вивчення небезпечних інтер'єрів - скажімо, атомної електростанції чи важкодоступні межі археологічних пам'яток.

"Мене принижує той факт, що біологія настільки складна і можна лише сподіватися взяти її трохи і вкласти її в наших роботів", - сказав Чозет. "Але ми не тиражуємо тварин в тій мірі, у якій є тварини. Що ми хочемо, це побудувати механізми та системи, які мають великі можливості".

Його опис власних досягнень та досягнень та відкриттів учнів як досить безтурботних також стосується того, як такі роботи з'являться у світі в міру дорослішання. Повільно, невеликими кроками, дослідження потрапляють туди, сказав він.

"Еволюція теж є випадковою", - запевнив Чосет. "Немає жодної переломної точки, лише послідовність подій, яка, видно ззовні, виглядає як великий прорив".

Критичний кросовер

В основному, не можна очікувати, що інженери знають, як працює біологія, що робить співпрацю інженерів та біологів критичною. У Чиказькому університеті дослідження біологів Марка Вестнеата класу риб призвели до співпраці з ВМС, в результаті чого повільний рухливий, але спритний підводний безпілотник може зависнути на місці. Відомі як WANDA (що розшифровується як "Agile Near-Shore Deformable-Fin Automaton"), такі як дрон будуть корисні для огляду корпусів кораблів, пірсів і нафтових платформ.

Швидкісне фотографування було головним у зусиллях майже 20 років тому, коли Westneat вперше почав робити візуалізацію шлаків і до того, як ВМС зацікавився роботою. У потоковому резервуарі з постійним струмом, який Westneat називає "біговою доріжкою для риб", упряжники плавають уздовж щасливо, використовуючи лише свої грудні плавники для підтримки фіксованого положення в резервуарі, тоді як високошвидкісні камери фіксують кожну деталь цього руху на 1000 кадрів в секунду.

Фото: Військово-морська лабораторія США / Віктор Чен

У поєднанні з досить детальними знаннями біологів про анатомію риби - як її плавкові промені прикріплюються до м'язів, як нервові закінчення в мембранах плавців передають напругу та напругу - фотографія дозволяє глибоко знати, як саме волосинки просуваються через воду при скручуванні та крученні характерного для них пінгвіноподібного мазка. Здатність сердечника зациклюватися на місці, зберігаючи своє тіло нерухомим навіть при сильних або коливаючих течіях, робить його ідеальним видом для моделювання для нового типу спритного підводного транспортного засобу, - сказав Джейсон Гедер, провідний інженер проекту WANDA в NRL.

"Традиційні гвинтові або рушійні двигуни не мають такого маневреності або мають занадто високий радіус повороту", - сказав Гедер. "Це була хороша риба для моделювання, тому що якби ми хотіли мати жорсткий корпус для корисних вантажів у центрі транспортного засобу, ми могли б отримати аналогічні показники, просто використовуючи цей вид руху грудного плавника".

Westneat вважає, що новіша фотографічна здатність може ще більше просунути дослідження. "Для риб - це життя чи смерть, але для нас краще розуміння ефективності може означати кращу потужність акумулятора", - сказав Westneat. "Ми дійсно хотіли б, щоб тісно імітувати основу скелетної структури та механічні властивості мембран і перевірити, чи зможемо ми отримати високу ефективність".

Біологічні колекції музеїв - ще один багатий і недостатньо використаний ресурс для дослідників. Наприклад, Смітсоніан у своїй колекції хребетних зберігає майже 600 000 екземплярів, а Рольф Мюллер Virginia Tech звернувся до цих фондів для роботи над натхненими бітами безпілотниками. Використовуючи 3D-сканування вух і носів у Смітсоніана, Мюллер створив подібні структури для свого літаючого робота, щоб допомогти йому повідомляти про зворотній зв'язок через свої тестові пробіжки, орієнтовані на поштові лінії.

"У вас є ці мільйони екземплярів, вишикувані в ящиках, до яких ви можете отримати доступ дуже швидко", - сказав Мюллер. Він брав участь у створенні консорціуму музейних фахівців та дослідників, щоб зробити подібні колекції по всій країні більш доступними для просування по біоінспірації.

І тоді, незалежно від того, чи джерело плаває в баку чи лежить у ящику для зберігання, переклад цих даних у корисну форму залишається проблемою. "Ваш типовий інженер хоче специфікацій, але біолог, можливо, передає їм анатомічні креслення", - сказав Вестнейт.

Тільки коли він сам не почав ходити на деякі з цих інженерних переговорів, він зрозумів, що його робота може надати механічні дані про рух риби, які можуть перетворитись на рушійну силу та сили, інженерам даних необхідно створити робочу машину. "Це речі, на які може діяти природний відбір, але вони також роблять різницю між автономним транспортним засобом, який повертає його назад до корабля чи ні".

Назад до школи

Навчання, пам'ять та адаптація - це цілі інші завдання. Повернувшись на перероблений склад ВМС, команда MeRLIn досі передусім займається проблемами мініатюризації. Але вони занадто усвідомлюють, що робот, якого вони передбачають, не був би повним без можливості вчитися, запам'ятовувати та адаптуватися.

Хеншоу, який розводить овець вдома, коли він не знаходиться в лабораторії, сказав, що спостерігаючи за тим, як новонароджені ягнята переходять від вологих купи до ходьби протягом кількох годин, підкреслює труднощі штучного повторення цього процесу. "Немає нікого, хто насправді розуміє, як це працює", - сказав Хеншоу про нейронні зміни, необхідні ягнятам для постійного пристосування їх руху до швидких змін маси тіла під час переростання в овець. Один із підходів, який його команда застосовує для вирішення цієї стратегії, - це написання програмного забезпечення, яке дозволяє їм змінювати спосіб генерування метилів MeRLIn.

Окремо Henshaw є частиною іншого проекту розвитку біологічно натхненної системи навчання. Він показав мені відео з роботизованою ногою, що забиває м'яч у маленький футбольний гол. Після трьох запрограмованих ударів нога ще більше ударяє м'яч ще 78 разів, систематично вибираючи власні цілі та слідкуючи за своїми успіхами та невдачами. Далі вдосконалюється та застосовується до такого робота, як MeRLIn, такий код полегшить ходовий робот самостійно адаптуватися до різних ваг корисної навантаження або довжини ніг, наприклад.

"У багатьох проектах є рівняння, які визначають, як оптимізувати центр ваги або руху за допомогою великих математичних рівнянь у режимі реального часу", - сказав Хеншоу. "Це працює, але це не зовсім біологічно. Я не можу стверджувати, що алгоритм, який я написав, - це саме те, що відбувається в мозку, але, здається, щось таке має відбуватися. Люди вчаться лазити по деревах і бити кулі через практику, а не чисельну оптимізацію ".

Глибоке вивчення та доступ до зібраних знань, ймовірно, пришвидшить цей процес, додав Хеншоу, але знову ж таки, апаратне забезпечення не є надійним чи достатньо малим, щоб вписатись на щось таке зменшене, як MeRLIn. "Якщо ви хочете цих маленьких роботів, нам не вдається вдосконалити алгоритми, а обладнання, на якому вони працюють", - сказав він. "Інакше він займе занадто великий комп'ютер із занадто великими акумуляторами, і він просто не працюватиме".

Ринок, що розвивається

Ярлики, які біологія передбачає для створення інноваційних платформ для кузовів та стратегій руху, також можуть допомогти зробити роботів з біологічного натхнення більш економічно вигідними. Чосет - не єдиний академік, який створив компанію, яка допомагає просувати практичні програми для своїх творінь; насправді компанія Eelume, заснована професором робототехніки Норвезького університету науки і технологій Крістін Іттерстад Петтерсен, в даний час продає власну робототехнічну змію для плавання для підводних розвідок та інспекційних завдань. А Де і Кіннеалі заснували Ghost Robotics, компанію, що займається продажем Minitaur.

У гру також вступають великі приватні компанії. Компанія Boston Engineering перебуває на завершальній стадії демонстрацій на місцях зі своїм морським інспекційним роботом, який отримав назву BioSwimmer. Цей бот не просто натхненний тунцем - все його зовнішнє тіло базується на скануванні п’ятифутового тунця, який був упійманий біля офісів компанії в Уолтемі, штат Масачузетт. Як і у випадку з живим тунцем, потужність приводу приводиться в хвіст, що дозволяє передній половині транспортного засобу укладатися датчиками та корисними навантаженнями. Ціль була не в тому, щоб імітувати тунця, а використати працездатність та високу продуктивність тварини.

Майк Руфо, директор групи просунутих систем Boston Engineering, сказав, що біологічні аспекти проектування не спрощують його розробку, але це також не створює додаткових труднощів. Rufo стверджує, що компанія побудувала BioSwimmer (довжина в п'ять футів і 100 фунтів) приблизно за ту ж вартість, що і аналогічні проекти - близько 1 мільйона доларів - і що вона буде оцінена аналогічно іншим транспортним засобам такого розміру. Але ефективність руху, передбачена стратегією руху, навіяної тунцем, дозволяє їй довше працювати на стандартних джерелах живлення.

"Є кілька технічних перешкод, які у нас є, разом, з біоінспірованою робототехнікою", - сказав Руфо. "Але біоінспірація пропонує можливості вирішувати проблеми безпосередньо або покращувати продуктивність таким чином, що пом'якшує вплив цих проблем. Наприклад, незважаючи на деякі дійсно прикольні досягнення в галузі акумуляторних технологій, ми знаходимося на плато того, скільки енергії ви можете інтегрувати в щось із заданого розміру. Але якщо ви можете вирішити ефективність роботи системи, можливо, батарея не так сильно вплине на вас. Це одна сфера, де біоінспірація відіграє велику роль ". Тим не менш, він вважає, що такі роботи не будуть банальними в оборонних програмах або іншим чином принаймні протягом наступних п'яти-10 років.

Незалежно від монументальних викликів, які повинні бути подолані перед тим, як у нашому повсякденному житті не надто моторошні робототехнічні помічники, в останні кілька років були досягнуті величезні успіхи в напрямку того, щоб зрозуміти, що біологія та еволюція зрозуміли: сліпуча здатність організмів адаптувати та виконувати.

"Здається, іноді Сізіф, так", - сказав Вестнейт. "Я дивлюся на цих водних роботів, і вони здаються мені незграбними; але тоді я звик бачити цих витончених тварин, що плавають через кораловий риф. Але не надто кричуще думати, що інженери та біологи можуть зібратися разом і творити роботів, яких ти кидаєш у воду, що пливуть самі по собі. Все хвилює ».