Jurutera bersetuju: sifat membuat robot terbaik

Pengiring saya dan saya berjalan selama lima minit pepejal melalui gudang zaman Perang Dunia II yang diubahsuai, berliku melalui lorong koridor yang suram dan kereta api gua yang gersang, kemudian melalui makmal penuh rangka ruang angkasa di tengah-tengah prototaip,. Kami akhirnya sampai ke meja kerja di mana Tentera Laut sedang membina… tupai robot.

"Tupai" adalah sedikit regangan, kerana versi pertama yang dibina sepenuhnya dari Inisiatif Robotik Locomotion Meso (MeRLIn) akan menimbang 10 hingga 20 paun apabila ia selesai musim semi ini-raksasa tikus, oleh definisi sesiapa. Robot dalam bentuk semasa terdiri daripada manifold segi empat tepat dan lelaran ke-10 kaki anjing yang disambungkan, dipasang pada tiang aluminium gelongsor. Model bercetak 3-D berwarna biru terang menunjukkan bagaimana ia akan kelihatan apabila selesai: mesin berkaki empat, berkaki panjang tentang saiz terrier Yorkshire.

Tetapi apabila jurutera projek melepaskannya untuk memberi saya demonstrasi, saya melihat mengapa mereka merujuk kepada MeRLIn sebagai tupai: Walaupun motornya kecil dan piston yang didorong oleh hidraulik, ia boleh melompat seperti neraka.

MeRLIn adalah salah satu daripada robot baru-baru ini yang mempunyai haiwan untuk mengucapkan terima kasih atas inspirasi mereka. Kerajaan haiwan itu berakar dengan contoh-contoh pandai dan pergerakan pandai, dan kecekapannya adalah raja dalam robotika yang berkuasa dan terbatas kuasa dunia robot autonomi. Sebagai keupayaan untuk meniru lompat kangaroo, misalnya, akan menyedari tradeoff yang ideal antara kuasa dan prestasi: tendon-tendon di kaki-kaki belakang yang menggerunkan ini menyimpan tenaga di antara setiap langkah, yang membolehkan haiwan bergerak jarak jauh dengan perbelanjaan tenaga yang agak sedikit.

Foto: US Naval Research

Biologi adalah di belakang beberapa reka bentuk robot yang paling inovatif yang muncul hari ini: Lihat Salto UC Berkeley, yang diilhamkan oleh semak belukar Afrika yang melompat tinggi, atau tepabot Universiti Virginia, yang dimodelkan selepas sinar coveose Teluk Chesapeake.

Sangat mudah untuk melihat mengapa. Reka bentuk yang diinspirasikan dari segi biologi mempunyai kelebihan yang jelas apabila ia mencapai tugas yang mana bentuk manusia tidak disesuaikan dengan baik. Dari lalat kecil ke ikan laut dalam dan juga mikroba (beberapa sel bahan bakar didorong oleh kimia mikrob), alam semula jadi telah mengotori dan mengagak cara yang berkesan untuk mendapatkan pekerjaan. Jutaan tahun evolusi telah menjadikan haiwan sangat berkesan pada pekerjaan yang mereka lakukan-terbang, melompat, berjalan, dan berenang; penginderaan dalam spektrum yang tidak kelihatan; dan mungkin kebolehan yang belum kita ketahui.

Tetapi jauh dari replika mekanik haiwan, robot bio-yang sedang dibina pada hari ini memajukan matlamat penyulingan penyelesaian biologi elegan ini. Puncanya sekarang adalah untuk menguraikan apa strategi itu, pare mereka ke dalam inti utama mereka, dan memanfaatkan mereka untuk tujuan kita sendiri. Walaupun ahli sains dan jurutera membina komponen yang boleh bergerak lebih baik, pemproses yang boleh berfikir lebih mendalam, dan sensor yang dapat mengesan lebih halus, walaupun, jahitannya bersama-sama ke dalam pakej yang benar-benar fungsional, besar-besaran tetap menjadi tugas sukar difahami.

Jatuh Sebelum Berjalan

Jika MeRLIn kelihatan akrab-baik, ia sepatutnya. Glen Henshaw, penyiasat utama projek itu, berkata pasukannya tidak membuat tulang tentang fakta bahawa MeRLIn diilhamkan oleh nenek moyang yang lebih besar dan lebih berat yang telah menemui kejayaan besar dalam bidang Internet, termasuk Boston Dynamics 'L3 dan Big Dog dan MIT's Cheetah.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Apa yang dimaksudkan oleh jurutera Penyelidikan Tentera Laut Amerika Syarikat adalah robot yang lebih kecil, lebih senyap, dan lebih tangkas, yang tidak memerlukan dua orang Marin muda yang menangkapnya untuk memeriksa kemungkinan bahaya. Tetapi membina MeRLIn tidaklah semudah memendekkan semua bahagian untuk membuat robot yang boleh masuk ke dalam ransel askar. Ia juga merupakan proses pemahaman bagaimana dan mengapa fungsi tertentu berfungsi, mengapa mereka yang sesuai adalah sesuai untuk rupa bumi, dan bagaimana membina robot yang boleh belajar menyesuaikan diri dan memilih yang betul.

Tiba di bangku simpanan MeRLIn, Jurutera Kawalan Joe Hays memasukkan beberapa arahan ujian kepada komputer, menjadikan robot itu berkedut dan tersentak. Selepas dia menanggalkan strut sokongannya, kaki tunggal MeRLIn memegang badan bersaiz bata di bawah kuasa sendiri, kini dikenakan dengan cecair hidraulik.

Momen kemudian, dengan kekejangan kilat, kaki melancarkan merRLin hampir tiga kaki ke udara, dipandu dan kembali ke meja oleh rel logam menegaknya. Mengulangi latihan ini tiga kali lebih banyak, robot melanda siling kandang perlindungannya selepas satu lompatan terakhir, kuat, mendarat dengan sangat sehingga kakinya runtuh.

"Ada banyak di luar sana kita masih tidak tahu mengenai pergerakan haiwan, terus terang, " kata Henshaw. "Dan kita benar-benar tidak memahami sistem neuromuskular seperti yang kita mahukan. Kita cuba membina sesuatu tanpa mengetahui dengan tepat bagaimana ia berjalan."

Pasukan ini masih menjalankan beberapa masalah dengan hidraulik tetapi telah berjaya mencapai kejayaan yang baik dengan algoritma adaptif yang menyelidik dan membetulkan ketidakpastian dalam litar perkakasan pada kadar sekali setiap milidetik. Mereka mengharapkan ia cuba untuk melompat dari tanah ke meja dalam beberapa bulan.

Di University of Pennsylvania, Avik De dan Gavin Kenneally's Minitaur adalah satu lagi baru-baru ini yang super-kecil, ringan empat kali ganda, dicipta di bawah bimbingan Dan Koditschek. Berat hampir 14 kilogram, bot kecil mereka mempunyai gaya yang mengagumkan, mengikat. Menariknya dengan cepat menjadi tertanya-tanya, walaupun, apabila anda menonton video ciptaan mereka memanjat tangga, memanjat pagar, dan melompat untuk mengikatkan pemegang pintu.

Photo: Courtesy Ghost Robotics

De dan Kenneally secara drastik memotong sebahagian besar bot mereka dengan menggunakan kaki mengayun bebas, langsung memandu bukan kaki tradisional yang didorong gear. Motor bertindak sebagai sensor maklum balas kepada perisian robot, mengesan dan menyesuaikan tork yang mereka sampaikan 1, 000 kali setiap saat. Hasilnya adalah robot yang boleh terikat dengan perlahan atau cepat, mendaki tangga, dan melompat dan mengayunkan satu set kaki di sekitar untuk memegang pemegang pintu untuk membukanya.

Walaupun ia masih jauh dari autonomi, kekurangan sensor dan sistem kawalan yang membolehkan ia bebas, tindakan pogo stick yang unik, laras Minitaur menunjukkan bahawa ketangkasan adalah mungkin walaupun tanpa mekanisme pemacu besar dan kuat. Ia juga dibuat dari bahagian yang tersedia secara komersil.

"Jelas ada banyak motivasi untuk mempunyai kaki, tetapi keadaan teknologi sekarang ini tidak cukup matang dan mahal sekali, " kata De, merujuk juga kepada robot Atlas Boston Dynamics '-yang lebih mampu, tetapi berpemilik dan mahal, jadi tidak mudah direplikasi. "Kami mahu membuat robot yang boleh diakses oleh orang lain supaya mereka boleh cuba melaksanakan platform untuk aplikasi mereka sendiri."

Penyelesaian Slithery

Dengan kemasukannya sendiri, Howie Choset takut kepada ular. Ia mengagumkan ironis, kemudian, bahawa karya-karya paling terkenalnya dapat digambarkan sebagai snakelike.

Choset, profesor bersekutu di Carnegie Mellon University di Pittsburgh, telah bekerjasama dengan robot ular sejak dia menjadi pelajar siswazah, dan dia telah membuat banyak kejayaan. Dia menjalankan Institut Robotics CMU-makmal di mana banyak ciptaan yang sedang berlangsung mempunyai segmen ular ular yang berulang. Beliau juga merupakan editor jurnal Science Robotics yang baru-baru ini dan telah menulis sebuah buku teks mengenai prinsip pergerakan robot.

Dan hanya untuk sibuk, dia juga mengasaskan dua syarikat: Hebi Robotics and Medrobotics. Alat pembedahan endoskopi yang maju, Sistem Robotik Flex, menerima kelulusan FDA pada tahun 2015 untuk digunakan. Walaupun Choset kini tidak lagi terlibat secara langsung dengan Medrobotics, beliau berkata menonton operasi secara langsung di mana robot itu digunakan adalah titik tertinggi pengalaman profesionalnya.

Foto: Courtesy Howie Choset

Choset menuntut sama ada Flex diilhamkan oleh ular; beliau berkata bentuk serpentin robot itu direka bentuk dengan pemikiran dan perubahan ruang batin manusia dalam fikiran. Tetapi yang lain, kerja-kerja baru-baru ini sudah pasti melibatkan melihat ular dan robot pemodelan selepas mereka, terutama melalui kerjasama dengan Dan Goldman dari Georgia Tech, seorang ahli fizik yang penyelidikan dalam biomekanik telah membawa kepada penciptaan robot yang diilhamkan oleh pergerakan ketam, penyu laut, lipas, mudskippers dan pasir.

Choset juga mengakui pengaruh salah satu pelopor asal robotik bio, Robert Full, yang menjalankan makmal Poly-Pedal UC Berkeley. Dengan mengkaji bagaimana kecoa bergerak dan bagaimana cicak memanjat permukaan menegak, Full, Choset, dan lain-lain berusaha mendidih rahsia ini ke dalam prinsip reka bentuk umum yang boleh digunakan dalam cara-cara baru.

"Sekiranya kita menyalin biologi? Tidak. Tanyakan ahli biologi untuk itu, " kata Choset. "Apa yang kita mahukan adalah untuk memetik ceri-prinsip yang terbaik dan pergi dari sana."

Bersama-sama, Choset dan Goldman, bersama dengan Joseph Mendelson Zoo Atlanta, mengkaji pergerakan ular sidewinder, yang akhirnya mencirikan pergerakan mereka yang tajam sebagai satu siri gelombang pergeseran bentuk. Menerapkan pengetahuan itu kepada pengaturcaraan untuk ular robotiknya, pasukan Choset mampu membuat mereka melompat ke atas gundukan pasir, tugas yang mustahil. Memahami bagaimana ular mengubah bentuk badan mereka untuk mendapatkan diri mereka sendiri juga telah membolehkan Choset untuk membina robot ular yang boleh merebut jawatan dan bahagian dalam lintel pintu, sesuatu yang difikirkannya berguna untuk meneroka bahagian dalaman berbahaya-kata, loji kuasa nuklear atau tidak dapat diakses dari tapak arkeologi.

"Saya berasa rendah diri kerana fakta bahawa biologi sangat kompleks dan hanya boleh memakan sedikit dan memasukkannya ke dalam robot kami, " kata Choset. "Tetapi kita tidak mereplikasi haiwan ke tahap baik dan keupayaan yang ada pada haiwan. Apa yang kita mahu adalah untuk membina mekanisme dan sistem yang mempunyai keupayaan yang hebat."

Penerangan mengenai kemajuannya sendiri dan pencapaian dan penemuan pelajarnya yang agak serendipat juga berlaku untuk bagaimana robot seperti ini akan muncul ke dunia ketika mereka matang. Perlahan-lahan, dengan kenaikan kecil, penyelidikan itu sudah sampai ke sana, katanya.

"Evolusi juga tidak sembarangan, " Choset menegaskan. "Tidak ada satu titik tipikal, hanya satu urutan perkembangan yang, dilihat dari luar, kelihatan seperti terobosan besar."

Crossover Kritikal

Secara utama, jurutera tidak boleh dijangka mengetahui bagaimana kerja biologi, yang membuat kerjasama antara jurutera dan ahli biologi kritikal. Di University of Chicago, kajian saintifik ahli biologi Mark Westneat, kelas ikan, membawa kepada kerjasama dengan Tentera Laut, mengakibatkan kapal terbang bawah laut yang bergerak perlahan tetapi tangkas yang boleh bergerak di tempatnya. Dikenali sebagai WANDA (yang bermaksud "Automobil Deformable-sirip yang diilhamkan oleh Wrasse yang diilhamkan oleh Laut), dron seperti ini akan berguna untuk pemeriksaan kapal-kapal kapal, jeti dan pelantar minyak.

Fotografi berkelajuan tinggi adalah pusat usaha ini hampir 20 tahun yang lalu, ketika Westneat pertama kali melakukan kajian pencitraan dari wrasses dan sebelum Angkatan Laut mendapat perhatian dalam kerja. Dalam tangki aliran dengan arus malar, yang mana Westneat memanggil "treadmill for fish, " berenang berenang dengan gembira, hanya menggunakan sirip dada mereka untuk mengekalkan kedudukan tetap dalam tangki manakala kamera berkelajuan tinggi menangkap setiap perincian gerakan itu pada 1, 000 Bingkai sesaat.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Dikombinasikan dengan ilmu biologi yang sangat terperinci tentang anatomi ikan-bagaimana sinar siripnya melekat pada otot-ototnya, bagaimana ujung saraf dalam membran sirip meregangkan tekanan dan ketegangan-fotografi itu membolehkan pengetahuan yang mendalam tentang bagaimana sebenarnya kemelut yang mendorong diri mereka melalui air dengan twisting dan kilasan ciri-ciri penguin mereka seperti stroke mengepakkan. Keupayaan wrasse untuk meletakkannya pada asasnya sambil mengekalkan badannya walaupun dalam arus kuat atau turun naik menjadikannya spesies yang ideal untuk model untuk jenis kereta tangki air yang baru, kata Jason Geder, jurutera utama pada projek WANDA di NRL.

"Kenderaan kipas tradisional atau bumbung tradisional tidak mempunyai daya pergerakan seperti ini atau mempunyai radius putaran yang terlalu tinggi, " kata Geder. "Ini adalah ikan yang baik untuk model, kerana jika kita mahu mempunyai lengan yang tegar untuk muatan di pusat kenderaan, kita boleh mendapat prestasi yang sama dengan menggunakan gerakan sirip dada seperti ini."

Westneat berpendapat bahawa keupayaan fotografi 3D yang lebih baru dapat memajukan penyelidikan lebih jauh. "Untuk ikan itu, ia hidup atau mati, tetapi untuk kita, pemahaman yang lebih baik mengenai kecekapan boleh bermakna daya bateri yang lebih baik, " kata Westneat. "Kami benar-benar suka meniru struktur tulang dan ciri-ciri mekanikal membran yang mendasari dan melihat jika kita boleh mendapatkan kecekapan yang tinggi."

Koleksi biologi Muzium adalah sumber yang kaya dan kurang digunakan untuk penyelidik. Contohnya Smithsonian memegang hampir 600, 000 spesimen dalam koleksi vertebrata sahaja, dan Virginia Tech's Rolf Müller telah menarik perhatian kepimpinan ini untuk kerjanya pada pesawat yang diilhamkan oleh kelawar. Menggunakan imbasan 3D telinga keledar dan hidung dari Smithsonian, Mueller telah mencipta struktur serupa untuk robot terbangnya untuk membantu ia melaporkan maklum balas melalui run ujian berpandu zip.

"Anda mempunyai berjuta-juta spesimen ini yang dibariskan dalam laci, yang boleh anda akses dengan cepat, " kata Müller. Dia terlibat dalam penciptaan konsortium profesional muzium dan penyelidik untuk membantu membuat koleksi seperti ini di seluruh negara lebih mudah untuk kemajuan bioinspired.

Dan kemudian, tidak kira sama ada sumber itu berenang dalam tangki atau berbaring di dalam laci simpanan, menerjemahkan bahawa data menjadi bentuk berguna tetap menjadi cabaran. "Jurutera biasa anda mahukan spesifikasi, tetapi ahli biologi mungkin menyerahkan lukisan anatomi, " kata Westneat.

Tidak sampai dia mula pergi ke beberapa ceramah kejuruteraan itu sendiri bahawa dia menyedari kerjanya dapat memberikan data mekanik pergerakan ikan yang dapat diterjemahkan ke dalam kuasa dan daya motor, jurutera data perlu menghasilkan mesin kerja. "Ini adalah perkara-perkara yang pemilihan semulajadi boleh bertindak, tetapi mereka juga membuat perbezaan antara kenderaan autonomi yang membuatnya kembali ke kapal atau tidak."

Kembali ke sekolah

Pembelajaran, ingatan, dan penyesuaian adalah cabaran lain sepenuhnya. Kembali ke gudang yang diubah suai oleh Angkatan Laut, pasukan MeRLIn masih lagi terlibat dengan masalah pemintaran. Tetapi mereka juga menyedari bahawa robot yang mereka bayangkan tidak akan lengkap tanpa keupayaan untuk belajar, ingat, dan menyesuaikan diri.

Henshaw, yang menaikkan domba di rumah apabila dia tidak berada di makmal, berkata menonton anak dara yang baru lahir dari timbunan lembap untuk berjalan dalam masa beberapa jam menekankan kesukaran artifak mereplikasi proses itu. "Tidak ada seorang pun yang benar-benar memahami bagaimana ia berfungsi, " kata Henshaw mengenai perubahan saraf yang diperlukan oleh anak domba untuk terus menyesuaikan diri dengan perubahan massa yang cepat apabila mereka berkembang menjadi kambing biri-biri. Satu pendekatan yang diambil oleh pasukannya untuk menangani strategi itu adalah untuk menulis perisian yang membolehkan mereka menukar cara MeRLIn gains dihasilkan.

Secara berasingan, Henshaw adalah sebahagian daripada projek lain untuk membangunkan sistem pembelajaran yang diilhami secara biologi. Dia menunjukkan kepada saya video leg robot yang menendang bola ke dalam bola sepak kecil. Selepas tiga tendangan yang diprogramkan, kaki mengetepikan bola itu sendiri sebanyak 78 kali, secara sistematik memilih sasarannya sendiri dan menjejaki kejayaan dan kegagalannya. Lebih baik diperhalusi dan diterapkan pada robot seperti MeRLIn, kod seperti ini akan memudahkan robot berjalan untuk menyesuaikan diri dengan bobot muatan yang berbeda atau panjang kaki, contohnya.

"Banyak projek mempunyai persamaan yang memikirkan cara mengoptimumkan pusat graviti atau gerakan melalui persamaan matematik yang besar dalam masa nyata, " kata Henshaw. "Ia berfungsi, tetapi ia tidak betul-betul biologi Saya tidak boleh mengatakan bahawa algoritma yang saya tulis adalah tepat apa yang berlaku di otak, tetapi ia kelihatan seperti sesuatu yang perlu dilakukan. Manusia belajar memanjat pokok dan menendang bola melalui amalan, bukan pengoptimuman berangka."

Pembelajaran yang mendalam dan akses kepada pengetahuan yang dikumpulkan mungkin akan mempercepatkan proses ini, tambah Henshaw, tetapi di sana lagi, perkakasan itu tidak kuat atau cukup kecil lagi untuk menyesuaikan sesuatu yang kecil seperti MeRLIn. "Sekiranya anda mahukan robot kecil ini, kita tidak perlu memperbaiki algoritma tetapi perkakasan yang mereka jalankan, " katanya. "Jika tidak, ia akan mengambil komputer yang terlalu besar, dengan bateri yang terlalu besar, dan ia tidak akan berfungsi."

Pasaran yang Muncul

Cara pintas yang disediakan oleh biologi untuk mewujudkan platform badan dan strategi pergerakan yang inovatif juga boleh membantu membuat robot yang diilhami secara biologi lebih berdaya maju dari segi ekonomi. Choset bukan satu-satunya akademik yang telah memulakan sebuah syarikat untuk membantu memajukan aplikasi praktikal untuk ciptaannya; sebenarnya, Eelume, yang diasaskan oleh Profesor Robotik Universiti Sains dan Teknologi Norway, Kristin Ytterstad Pettersen, kini memasarkan ular berenang robotik sendiri untuk kerja-kerja mencari dan pemeriksaan di bawah air. Dan De dan Robotik Hantu yang diasaskan oleh Kinneally, sebuah syarikat untuk memasarkan Minitaur.

Syarikat-syarikat swasta yang besar turut terlibat dalam permainan ini. Kejuruteraan Boston berada di peringkat akhir demonstrasi lapangan dengan robot pemeriksaan marinnya, yang digelar BioSwimmer. Bot ini bukan semata-mata diilhamkan oleh tuna-seluruh badan luarnya didasarkan pada imbasan tuna biru biru lima kaki yang ditangkap berhampiran pejabat syarikat di Waltham, MA. Dan seperti tuna yang hidup, kuasa pendorong berasal dari ekor, yang membolehkan separuh depan kenderaan disusun dengan sensor dan muatan. Matlamatnya adalah tidak meniru tuna, tetapi untuk memanfaatkan kecekapan dan prestasi haiwan yang tinggi.

Mike Rufo, pengarah kumpulan sistem canggih Boston Engineering, berkata aspek biologi reka bentuk tidak menjadikannya lebih mudah untuk dibina, tetapi ia tidak menambah kesukaran tambahan sama ada. Rufo mendakwa syarikat itu membina BioSwimmer (yang panjangnya lima kaki dan 100 paun) untuk kos yang sama seperti projek-projek yang sama-sekitar $ 1 juta-dan ia akan dijual sama dengan kenderaan lain yang bersaiznya. Tetapi kecekapan gerakan yang disediakan oleh strategi pendorong yang diilhamkan oleh tuna membolehkan ia beroperasi lebih lama pada sumber kuasa standard.

"Terdapat beberapa rintangan teknikal yang sedang berjalan, secara kolektif, dengan robotik bioinspired, " kata Rufo. "Tetapi bioinspirasi menawarkan peluang untuk menangani mereka secara langsung atau untuk meningkatkan prestasi dengan cara yang dapat mengurangkan impak cabaran-cabaran tersebut. Sebagai contoh, meskipun terdapat kemajuan yang sangat baik dalam teknologi bateri, kami berada di dataran tinggi berapa kuasa yang dapat diintegrasikan ke dalam tetapi jika anda boleh menangani kecekapan sistem, maka mungkin bateri tidak memberi kesan kepada anda. Itulah salah satu bidang di mana bioinspirasi memainkan peranan yang besar. " Namun, beliau berpendapat bahawa robot seperti ini tidaklah biasa, dalam aplikasi pertahanan atau sebaliknya, sekurang-kurangnya lima hingga 10 tahun akan datang.

Terlepas dari cabaran-cabaran monumental yang mesti diatasi sebelum kita mempunyai pembantu robot yang tidak menyeramkan dalam kehidupan seharian kita, langkah besar telah dibuat walaupun dalam beberapa tahun yang lalu ke arah membungkus biologi dan evolusi yang telah dijelaskan: keupayaan organisma yang mempesonakan untuk menyesuaikan dan melaksanakan.

"Sepertinya kadang-kadang Sisyphean, ya, " kata Westneat. "Saya melihat robot-robot akuatik ini, dan mereka kelihatan kikuk padaku, tetapi saya biasa melihat haiwan-haiwan yang anggun itu berenang melalui terumbu karang tetapi tidak terlalu memalukan untuk berfikir bahawa para jurutera dan pakar biologi dapat berkumpul dan membuat robot yang anda buang ke dalam air yang berenang sendiri. Semuanya menarik."