Obsah:
Doprovodili jsme se s doprovodem po dobu pěti solidních minut po přeměněném skladu z druhé světové války - vinutí bludištěm matných chodeb a kavernózního zálivu a poté laboratoří plnou koster kosmických lodí uprostřed prototypování. Konečně jsme dorazili na pracovní stůl, kde staví námořnictvo… robotická veverka.
"Veverka" je trochu natažená, protože první plně postavená verze Meso-scale Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) bude vážit 10 až 20 liber, když bude hotová letos na jaře - netvor hlodavce, podle definice někoho. Robot ve své současné podobě sestává z pravoúhlého rozdělovače a 10. iterace psem spojené nohy, namontované na posuvné hliníkové vzpěře. Světle modrý model 3D tisku v blízkosti ukazoval, jak to bude vypadat, když bude kompletní: bezhlavý čtyřnohý stroj o velikosti Yorkshirského teriéra.
Ale když to inženýři projektu vypálili, aby mi ukázali, viděl jsem, proč označují MeRLIn jako veverku: Přes své malé motory a hydraulicky poháněné písty to může skočit jako peklo.
MeRLIn je jen jedním z posledních robotů, kteří mají zvířata, která jim za inspiraci děkují. Živočišná říše je plná příkladů chytrého snímání a pohybu a účinnost je králem ve světě autonomní robotiky poháněné bateriemi. Schopnost napodobit skok klokanů by například realizoval ideální kompromis mezi silou a výkonem: Šlachy v impozantních zadních končetinách těchto vačnatců uchovávají energii mezi každým krokem, což umožňuje zvířatům cestovat na velké vzdálenosti s relativně malými výdaji energie.
Fotografie: US Naval Research
Biologie stojí za některými z nejinovativnějších robotických návrhů, které se dnes objevují: Podívejte se na Salto UC Berkeleyho, inspirované africkým bushbaby s vysokým skokem nebo mantabot z University of Virginia, modelované po paprscích paprsků Chesapeake Bay.
Je snadné pochopit, proč. Biologicky inspirované designy mají jasné výhody, pokud jde o plnění úkolů, pro které je lidská forma špatně přizpůsobena. Od drobných mušek po hlubinné ryby a dokonce i mikroby (některé palivové články jsou poháněny mikrobiální chemií), příroda pohladila a vyladila úžasně účinné způsoby, jak dělat práci. Miliony let evoluce učinily zvířata neuvěřitelně efektivní při práci, kterou vykonávají - létání, skákání, chůzi a plavání; snímání v neviditelných spektrech; a pravděpodobně více schopností, které jsme dosud neobjevili.
Ale biologické roboty, které se dnes stavějí, zdaleka nejsou mechanickými replikami zvířat, prosazují cíl destilovat tato elegantní biologická řešení. Nyní je třeba analyzovat, co tyto strategie jsou, rozdělit je do jejich hlavních esencí a využít je pro naše vlastní účely. Zatímco vědci a inženýři staví komponenty, které se mohou pohybovat lépe, procesory, které dokážou hlouběji přemýšlet, a senzory, které dokážou detekovat jemněji, přesto je jejich spojením do skutečně funkčního, hromadně vyrobitelného balíčku stále nepolapitelný úkol.
Padání před chůzí
Pokud MeRLIn vypadá povědomě - dobře, mělo by. Glen Henshaw, hlavní řešitel projektu, řekl, že jeho tým nedělá žádné kosti ohledně skutečnosti, že MeRLIn je inspirován mnohem většími a těžšími předky, kteří již našli dobrou míru internetové slávy, včetně Boston Dynamics 'L3 a Big Dog a MIT's Gepard.
Fotografie: US Naval Research Laboratory / Victor Chen
Technici společnosti Navy Research Lab se zaměřují na menší, tišší a obratnější robot, který nevyžaduje dva mladé popruhy Marines, aby je nastavil, aby prozkoumal potenciální rizika. Budování MeRLIn však není tak jednoduché, jako je pouze zmenšení všech částí, aby se vytvořil robot, který se vejde do batohu vojáka. Je to také proces porozumění tomu, jak a proč fungují určité pohyby, proč jsou tyto pohyby vhodné pro různé terény a jak postavit robota, který se dokáže naučit přizpůsobit se a vybrat si ty správné.
Při příchodu na lavici MeRLIn zadal Controls Engineer Joe Hays do počítače několik testovacích příkazů, čímž se robotova noha škubla a trhla. Poté, co odstranil podpěrnou vzpěru, MeRLInova jediná noha zvedla své cihlové tělo pod svou vlastní sílu, nyní nabitou hydraulickou kapalinou.
O chvilku později, s bleskovým křečem, noha vypustila merRLin téměř tři stopy do vzduchu, vedená nahoru a zpět ke stolu pomocí svislé kovové kolejnice. Poté, co toto cvičení opakoval ještě třikrát, robot zasáhl strop svého ochranného krytu po jednom posledním, silném skoku, přistál tak těžce, že se jeho noha zhroutila.
„Je tam spousta lidí, které stále ještě nevíme o pohybech zvířat, upřímně řečeno, “ řekl Henshaw. „Opravdu nerozumíme neuromuskulárnímu systému, jak bychom chtěli. Snažíme se něco vytvořit, aniž bychom přesně věděli, jak by to mělo chodit.“
Tým stále pracuje na několika dalších problémech s hydraulikou, ale našel dobrý úspěch s adaptivním algoritmem, který zkoumá a opravuje nejistoty v obvodech hardwaru rychlostí jednou za milisekundu. Očekávají, že se během několika měsíců pokusí skočit ze země na stůl.
Na Pennsylvánské univerzitě je Avita De a Minavír Gavina Kenneallyho dalším super-malým, lehkým čtyřnozem, vytvořeným pod vedením Dana Koditschka. Váží sotva 14 liber, jejich malá bota má roztomilý, ohraničující pohyb. Vytrvalost se však rychle změní v zázrak, když se díváte na videa o jejich tvorbě, jak se plazí po schodech, šplhá po plotech a skáká, aby odemkla kliku dveří.
Foto: Zdvořilostní duchová robotika
De a Kenneally drasticky snížili většinu své botiny pomocí nohou s přímým pohonem s volným kýváním namísto tradičních nohou poháněných převodovkou. Motory fungují jako senzory zpětné vazby k softwaru robota, detekují a nastavují točivý moment, který dodávají 1 000krát za sekundu. Výsledkem je robot, který se může pomalu nebo rychle svírat, šplhat po schodech, vyskočit a otočit sadu nohou, aby zavřel kliku dveří a otevřel ji.
Ačkoli to ještě není zdaleka autonomní, chybějící senzory a řídicí systémy, které by mu umožnily volný dosah, jedinečná, nastavitelná akce pogo-stick společnosti Minitaur ukazuje, že agilita je možná i bez velkých a výkonných pohonných mechanismů. Vyrábí se také z komerčně dostupných dílů.
"Je zřejmé, že má dostatek motivací mít nohy, ale současný stav technologie není dostatečně vyspělý a neúměrně drahý, " řekl De s odkazem také na robota Atlas společnosti Boston Dynamics - více než schopný, ale proprietární a drahý, takže ne snadno replikováno. "Chtěli jsme vytvořit robota, který by byl přístupný jiným lidem, aby se mohli pokusit implementovat platformu pro své vlastní aplikace."
Kluzká řešení
Howie Choset se podle vlastního přiznání bojí hadů. Je tedy úžasně ironické, že jeho nejznámější díla lze nejlépe popsat jako hadovité.
Choset, docent na Carnegie Mellon University v Pittsburghu, pracuje s hadími roboty od doby, kdy byl absolventem postgraduálního studia, a je nashromážděn litanií úspěchů. Provozuje robotický institut CMU - laboratoř, kde mnoho z probíhajících výtvorů obsahuje opakující se části těla hadů. Je také redaktorem nedávno debutovaného časopisu Science Robotics a je autorem učebnice o principech pohybu robota.
A aby zůstal zaneprázdněn, založil také dvě společnosti: Hebi Robotics a Medrobotics. Tento pokročilý endoskopický chirurgický nástroj, Flex Robotic System, získal v roce 2015 schválení FDA pro použití. Ačkoli Choset již není formálně spojen s Medrobotics, řekl, že sledování živé operace, při které byl robot použit, bylo vrcholem jeho profesionální zkušenosti.
Foto: Zdvořilost Howie Choset
Vybírejte demurty na to, zda byl Flex inspirován hady; řekl, že serpentinová forma robota byla navržena s ohledem na zákruty a obraty lidského vnitřního prostoru. Ale další novější práce s největší pravděpodobností zahrnovala zkoumání hadů a modelování robotů po nich, zejména ve spolupráci s Georgem Techem Danem Goldmanem, fyzikem, jehož výzkum biomechaniky vedl k vytvoření robotů inspirovaných pohybem krabů, mořských želv., švábi, bláta a pískoviště.
Choset také uznává vliv jednoho z původních průkopníků biologicky inspirované robotiky Robert Full, který řídí laboratoř PolyCal Pedal UC Berkeley. Studiem toho, jak se švábi pohybují a jak gekoni stoupají na svislé povrchy, se Full, Choset a další snaží tato tajemství vyvarovat do obecných konstrukčních principů, které lze aplikovat novými způsoby.
„Měli bychom kopírovat biologii? Ne. Požádejte o to biologa, “ řekl Choset. "Chceme, abychom vybrali ty nejlepší principy a odtamtud."
Společně Choset a Goldman společně s Josephem Mendelsonem zoo v Atlantě studovali pohyb hadů postranních, přičemž charakterizovali své ostré pohyby jako řadu vln měnících tvar. Když Chosetův tým aplikoval tyto znalosti na programování svých robotických hadů, dokázal je přinutit plazit se přes hromady písku, což byl dříve nemožný úkol. Pochopení toho, jak hadi mění svůj tvar těla, aby se obešli, také umožnilo Chosetovi postavit hadí roboty, které mohou svíjet sloupky a vnitřní strany dveřních překladů, což považuje za velmi užitečné pro zkoumání nebezpečných interiérů - řekněme, jaderné elektrárny nebo nepřístupná omezení archeologického naleziště.
"Jsem ponížen skutečností, že biologie je tak složitá a může jen doufat, že si jí vezmu trochu a vloží ji do našich robotů, " řekl Choset. "Ale nereplikujeme zvířata do takového stupně a schopností, jaké mají zvířata. Chceme vybudovat mechanismy a systémy, které mají skvělé schopnosti."
Jeho popis vlastních pokroků a úspěchů a objevů jeho studentů jako docela serendipitous platí také pro to, jak se roboti jako tito objeví na světě, jak zrají. Výzkum se pomalu, v malých přírůstcích, dostává tam, řekl.
„Evoluce je také náhoda, “ tvrdil Choset. "Není tu žádný bod zvratu, pouze sled změn, který z vnějšího pohledu vypadá jako velký průlom."
Kritický přechod
Od inženýrů se většinou nedá očekávat, že budou vědět, jak biologie funguje, což kritizuje spolupráci mezi inženýry a biology. Na Chicagské univerzitě vedl biologický Mark Westneat studie o zábranách, třídě ryb, ke spolupráci s námořnictvem, což mělo za následek pomalu se pohybující, ale pohyblivý podvodní robot, který se může vznášet na svém místě. Známé jako WANDA (což je zkratka pro „Agile inspirovaný agilním automatem na deformovatelné ploutve na blízko pobřeží“), budou tyto drony užitečné pro inspekce lodních trupů, mola a ropných plošin.
Vysokorychlostní fotografie byla ústředním bodem úsilí téměř před 20 lety, když Westneat poprvé začal provádět zobrazovací studie o zábranách a než se námořnictvo o práci zajímalo. V průtokovém tanku s konstantním proudem, který Westneat nazývá „běžeckým trenažérem pro ryby“, se vesele plave podél plavání, používají pouze své prsní ploutve, aby udržely pevnou polohu v nádrži, zatímco vysokorychlostní kamery zachytí každý detail tohoto pohybu na 1 000 snímků za sekundu.
Fotografie: US Naval Research Laboratory / Victor Chen
V kombinaci s vysoce podrobnými znalostmi biologů o anatomii ryby - jak se její ploutve paprsků přitahují k svalům, jak nervové zakončení v membránách ploutví přenášejí napětí a napětí - umožňuje fotografie hlubokou znalost toho, jak přesně se wrasses pohání vodou s kroucením a kroucením jejich charakteristického tučňáka podobného mávání. Schopnost wrasse v podstatě se vznášet na svém místě a udržet své tělo stále v silných nebo kolísavých proudech z něj činí ideální model pro modelování nového typu agilního podvodního vozidla, řekl Jason Geder, vedoucí inženýr projektu WANDA v NRL.
"Tradiční vozidla poháněná vrtulí nebo pohony nemají takový druh manévrovatelnosti nebo příliš vysoký poloměr zatáčky, " řekl Geder. "To byla dobrá ryba podle modelu, protože pokud bychom chtěli mít pevný trup pro užitečná zatížení ve středu vozidla, mohli bychom dosáhnout podobného výkonu jen pomocí tohoto druhu pohybu prsní ploutve."
Westneat si myslí, že novější 3D fotografické schopnosti mohou výzkum posunout ještě dále. "Pro ryby je to život nebo smrt, ale pro nás může lepší porozumění účinnosti znamenat lepší energii baterie, " řekl Westneat. "Opravdu bychom chtěli napodobit základní strukturu skeletu a mechanické vlastnosti membrán a zjistit, zda můžeme dosáhnout mimořádně vysoké účinnosti."
Biologické sbírky muzeí jsou dalším bohatým a málo využívaným zdrojem pro vědce. Například Smithsonian drží téměř 600 000 exemplářů ve své sbírce obratlovců a Rolf Müller z Virginia Tech čerpal z těchto fondů pro svou práci na dronech inspirovaných netopýry. Použitím 3D skenování netopýřích uší a nosů od Smithsoniana vytvořil Mueller podobné struktury pro svého létajícího robota, aby mu pomohl ohlasovat zpětnou vazbu prostřednictvím testovacích jízd vedených na zip.
„Máte tyto miliony vzorků seřazených v zásuvkách, ke kterým máte velmi rychlý přístup, “ řekl Müller. Podílel se na vytvoření konsorcia muzejních odborníků a vědců, aby pomohl zvýšit dostupnost takových sbírek po celé zemi pro bioinspirovaný pokrok.
A pak, ať už je zdrojem plavání v nádrži nebo ležení v zásuvce pro ukládání dat, převedení těchto dat do užitečné formy zůstává výzvou. „Tvůj typický inženýr chce specifikace, ale biolog jim možná dá anatomické kresby, “ řekl Westneat.
Teprve když začal sám provádět některé z těchto technických rozhovorů, aby si uvědomil, že jeho práce může poskytnout mechanické údaje o pohybech ryb, které se mohou promítnout do síly a síly motoru, musí datoví inženýři vyrobit pracovní stroj. "To jsou věci, na které přirozený výběr může reagovat, ale také dělají rozdíl mezi autonomním vozidlem, které ho činí zpět na loď nebo ne."
Zpátky do školy
Učení, paměť a adaptace jsou zcela jiné výzvy. Zpět v převedeném skladu námořnictva se tým MeRLIn stále primárně zabývá problémy miniaturizace. Jsou si však všichni dobře vědomi, že robot, kterého si představují, by nebyl úplný bez schopnosti se učit, pamatovat si a přizpůsobovat se.
Henshaw, který chová ovce doma, když není v laboratoři, řekl, že pozorování novorozených jehňat odchází z vlhké hromady na procházku během několika hodin, což podtrhuje obtížnost umělého replikace tohoto procesu. „Neexistuje nikdo, kdo by pochopil, jak to funguje, “ řekl Henshaw o nervových změnách vyžadovaných od jehňat, aby nepřetržitě přizpůsobovaly svou lokomoce rychlým změnám tělesné hmoty, když rostou na ovce. Jedním z přístupů, které jeho tým zaujímá k řešení této strategie, je napsat software, který jim umožní změnit způsob, jakým jsou generovány MeRLIn chůze.
Odděleně je Henshaw součástí jiného projektu na vývoj biologicky inspirovaného vzdělávacího systému. Ukázal mi video robotické nohy kopající míč do malého fotbalového cíle. Po třech naprogramovaných kopech noha kopne do míče 78krát více, systematicky si vybírá své vlastní cíle a sleduje své úspěchy a neúspěchy. Další upřesnění a použití na robota, jako je MeRLIn, by takový kód usnadnil chodícímu robotovi přizpůsobit se například různým hmotnostem užitečného zatížení nebo délkám nohou.
"Mnoho projektů má rovnice, které určují, jak optimalizovat těžiště nebo pohyb pomocí velkých matematických rovnic v reálném čase, " řekl Henshaw. "Funguje to, ale není to přesně biologické. Nemůžu tvrdit, že algoritmus, který jsem napsal, je přesně to, co se děje v mozku, ale vypadá to, že se něco děje. Lidé se učí lézt na stromy a kopat koule prostřednictvím cvičení, ne numerická optimalizace. “
Henshaw dodal, že hluboké učení a přístup ke shromážděným znalostem by tento proces pravděpodobně urychlil, ale opět zde není hardware robustní nebo dostatečně malý, aby se vešel na něco tak nepatrného jako MeRLIn. "Pokud chcete tyto malé roboty, není to tak moc, že musíme vylepšovat algoritmy, ale hardware, na kterém běží, " řekl. "Jinak to vezme počítač, který je příliš velký, s bateriemi, které jsou příliš velké, a prostě to nebude fungovat."
Rozvíjející se trh
Zkratky, které biologie poskytuje pro vytváření inovativních tělesných platforem a pohybových strategií, mohou také pomoci učinit biologicky inspirované roboty ekonomicky životaschopnějšími. Choset není jediný akademik, který založil společnost, která pomáhá rozvíjet praktické aplikace pro jeho tvorbu; ve skutečnosti Eelume, založená norskou profesorkou robotické vědy v Norsku, vědeckou a technologickou technikou Kristinem Ytterstadem Pettersenem, v současné době prodává svůj vlastní robotický plavecký had pro podvodní průzkumné a inspekční úkoly. A De a Kinneally založili společnost Ghost Robotics, společnost, která prodává minitaur.
Do hry se dostávají i velké soukromé společnosti. Společnost Boston Engineering je v závěrečných fázích demonstrací prováděných na poli pomocí svého robota pro námořní inspekci nazvaného BioSwimmer. Tato bota není jen inspirována tuňákem - celé její vnější tělo je založeno na skenech pět stop dlouhého tuňáka obecného, který byl chycen v blízkosti kanceláří společnosti ve Walthamu v MA. A stejně jako u živého tuňáka vzniká hnací síla v ocasu, což umožňuje, aby byla přední polovina vozidla naložena senzory a užitečným zatížením. Cílem však nebylo napodobit tuňáka, ale využít účinnost a vysoký výkon zvířete.
Mike Rufo, ředitel skupiny pokročilých systémů společnosti Boston Engineering, uvedl, že biologické aspekty návrhu neumožňují snadnější sestavení, ale nepřispěly ani k dalším obtížím. Rufo tvrdí, že společnost postavila BioSwimmer (který je pět stop dlouhý a 100 liber) za přibližně stejné náklady jako podobné projekty - kolem 1 milionu dolarů - a že bude cena podobná jako u ostatních vozidel své velikosti. Efektivita pohybu zajištěná pohonnou strategií inspirovanou tuňáky mu však umožňuje pracovat déle na standardních zdrojích energie.
"Existuje několik technických překážek, které jsou v naší cestě, společně, s bioinspirovanou robotikou, " řekl Rufo. „Bioinspirace však nabízí příležitosti k přímému oslovení těchto osob nebo ke zlepšení výkonu způsobem, který zmírňuje dopad těchto výzev. Například navzdory některým opravdu skvělým pokrokům v technologii baterií jsme na plošině toho, kolik energie můžete integrovat do něco o dané velikosti. Ale pokud dokážete vyřešit účinnost systému, pak vás možná baterie tolik neovlivní. To je jedna z oblastí, kde hraje bioinspirace velkou roli. ““ Přesto si myslí, že roboti jako tito nebudou běžní, v obranných aplikacích nebo jinak, nejméně dalších pět až 10 let.
Bez ohledu na monumentální výzvy, které musí být překonány, než budeme mít v našich každodenních životech příliš strašidelných robotických pomocníků, bylo dokonce v posledních několika letech dosaženo obrovského pokroku směrem k tomu, aby bylo možné shrnout, co biologie a evoluce objasnily: oslňující schopnost organismů přizpůsobit se a provést.
„Vypadá to, že někdy je Sisyphean, ano, “ řekl Westneat. „Podívám se na tyto vodní roboty a zdá se mi, že jsou neohrabaný; ale pak jsem zvyklý vidět, jak se tato půvabná zvířata plavou korálovým útesem. Není však příliš pobuřivé myslet si, že inženýři a biologové se dokážou spojit a vytvořit roboti, které hodíte do vody, kterou sami plavou. Všechno je vzrušující. ““
