Инженеры согласны: природа делает лучших роботов

Мои сопровождающие и я шли в течение пяти полных минут через переоборудованный склад эпохи Второй мировой войны, извиваясь через лабиринт тусклых коридоров и пещерный рельсовый отсек, а затем через лабораторию, полную скелетов космических кораблей посреди прототипирования. Мы наконец добрались до верстака, где флот строит… белку робота.

«Белка» немного растянута, так как первая полностью разработанная версия Мезомасштабной Инициативы Роботизированной Локомоции (MeRLIn) будет весить от 10 до 20 фунтов, когда она закончится этой весной - чудовище грызуна, по любому определению, Робот в его нынешнем виде состоит из прямоугольного коллектора и 10-й итерации ножки с сочлененной собачкой, установленной на скользящей алюминиевой стойке. Ярко-голубая трехмерная печатная модель, показанная рядом, показала, как она будет выглядеть в законченном виде: безголовый четвероногий аппарат размером с йоркширского терьера.

Но когда инженеры проекта запустили его для демонстрации, я понял, почему они называют MeRLIn белкой: несмотря на крошечные моторы и поршни с гидравлическим приводом, он может прыгать как в аду.

MeRLIn - только один из недавних роботов, у которых есть животные, чтобы благодарить за их вдохновение. Животное царство изобилует примерами умного восприятия и движения, а эффективность - это король в мире автономной робототехники с ограниченным питанием от батарей. Например, способность имитировать скачок кенгуру обеспечит идеальный компромисс между мощностью и производительностью: сухожилия в грозных задних конечностях этих сумчатых откладывают энергию между каждым шагом, позволяя животным путешествовать на большие расстояния при относительно небольших затратах энергии.

Фото: исследование ВМС США

Биология стоит за некоторыми из самых инновационных робототехнических разработок, появившихся сегодня: взгляните на сальто Калифорнийского университета в Беркли, вдохновленную высоко прыгающим африканским кустарником, или мантабот Университета Вирджинии, смоделированный по известному лучу Чесапикского залива.

Легко понять почему. Биологически вдохновленные проекты имеют явные преимущества, когда речь идет о выполнении задач, для которых человеческая форма плохо приспособлена. От крошечных мух до глубоководной рыбы и даже микробов (некоторые топливные элементы приводятся в действие микробной химией), природа разработала и оптимизировала удивительно эффективные способы выполнения работы. Миллионы лет эволюции сделали животных невероятно эффективными в выполняемой ими работе - летать, прыгать, ходить и плавать; зондирование в невидимых спектрах; и, вероятно, больше способностей, которые мы еще не обнаружили.

Но биологические роботы, не являющиеся механическими копиями животных, сегодня строят биологические роботы, стремясь перегонять эти элегантные биологические решения. Толчок теперь состоит в том, чтобы проанализировать, что эти стратегии, объединить их в их основные сущности, и использовать их для наших собственных целей. В то время как ученые и инженеры создают компоненты, которые могут двигаться лучше, процессоры, которые могут мыслить глубже, и датчики, которые могут обнаруживать более точно, но объединение их в действительно функциональный, массово производимый пакет остается труднодостижимой задачей.

Падать перед ходьбой

Если MeRLIn выглядит знакомо - ну, должно быть. Глен Хеншоу, ведущий исследователь проекта, сказал, что его команда не скрывает тот факт, что MeRLIn вдохновлен гораздо большими и тяжелыми предками, которые уже нашли хорошую меру интернет-славы, включая Lost Boston Dynamics и Big Dog и MIT. Cheetah.

Фото: военно-морская исследовательская лаборатория США / Виктор Чен

Инженеры Лаборатории ВМФ стремятся создать робота меньшего размера, тише и более гибкого, для которого не требуется двух молодых морских пехотинцев, чтобы настроить его для проверки потенциальных опасностей. Но построить MeRLIn не так просто, как просто уменьшить все части, чтобы сделать робота, который может поместиться в рюкзак солдата. Это также процесс понимания того, как и почему функционируют определенные походки, почему эти походки подходят для разной местности и как построить робота, который сможет научиться адаптироваться и выбирать правильные.

Прибыв на стенд MeRLIn, инженер по контролю Джо Хейс ввел несколько тестовых команд в компьютер, заставляя ногу робота дергаться и дергаться. После того, как он снял опорную стойку, единственная нога MeRLIn держала свое тело размером с кирпич своим собственным приводом, теперь заряженным гидравлической жидкостью.

Спустя несколько мгновений, с молниеносным спазмом, нога выпустила merRLin почти на три фута в воздух, направляясь вверх и обратно к столу с помощью вертикальной металлической рейки. Повторив это упражнение еще три раза, робот упал на потолок своего защитного кожуха после одного последнего мощного прыжка, приземлившись так сильно, что его нога сломалась.

«Откровенно говоря, мы многое еще не знаем о передвижении животных», - сказал Хеншоу. «И мы действительно не понимаем нервно-мышечную систему так, как хотелось бы. Мы пытаемся что-то построить, не зная точно, как оно должно идти».

Команда все еще решает еще несколько проблем с гидравликой, но нашла хороший успех с адаптивным алгоритмом, который исследует и исправляет неопределенности в схемах оборудования с частотой один раз в миллисекунду. Они ожидают, что он попытается прыгнуть с земли на стол в течение нескольких месяцев.

В Университете Пенсильвании Minitaur от Avik De и Гэвина Кеннелли - еще один недавний супер-маленький, легкий четвероногий, созданный под руководством Дэна Кодичека. Взвешивая едва 14 фунтов, у их маленького бота есть привлекательная, ограничивающая походка. Однако, нежность быстро превращается в удивление, когда вы смотрите видео их создания, карабкающегося по лестнице, поднимающегося по заборам и прыгающего, чтобы отпереть дверную ручку.

Фото: Courtesy Ghost Robotics

Де и Кеннели резко сократили основную часть своего бота, используя свободно вращающиеся ножки с прямым приводом вместо традиционных ножек с зубчатой ​​передачей. Двигатели действуют как датчики обратной связи к программному обеспечению робота, обнаруживая и регулируя крутящий момент, который они дают 1000 раз в секунду. В результате получается робот, который может медленно или быстро двигаться, подниматься по лестнице, подпрыгивать и размахивать ногами, чтобы зацепить ручку двери, чтобы открыть ее.

Хотя система Minitaur по-прежнему далека от автономной, не имея датчиков и систем управления, которые позволили бы ей свободно перемещаться, уникальное настраиваемое действие рукояти-манипулятора демонстрирует, что маневренность возможна даже без больших, мощных приводных механизмов. Это также сделано из коммерчески доступных частей.

«Очевидно, что есть множество причин для того, чтобы иметь ноги, но текущее состояние технологии недостаточно развито и слишком дорого», - сказал Де, ссылаясь также на робота Atlas компании Boston Dynamics - более чем способного, но запатентованного и дорогого, так что не так легко реплицировать. «Мы хотели сделать робота, который был бы доступен для других людей, чтобы они могли попытаться реализовать платформу для своих собственных приложений».

Slithery Solutions

По его собственному признанию, Хоуи Чосет боится змей. Это удивительно иронично, что его самые известные работы лучше всего можно описать как змеиные.

Чосет, адъюнкт-профессор Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге, работает с роботами-змеями с тех пор, как он был аспирантом, и он набрал кучу достижений. Он руководит Институтом робототехники КМУ - лабораторией, в которой многие из создаваемых творений содержат повторяющиеся сегменты тела змей. Он также является редактором недавно опубликованного журнала Science Robotics и является автором учебника по принципам движения роботов.

И просто чтобы остаться занятым, он также основал две компании: Hebi Robotics и Medrobotics. Усовершенствованный эндоскопический хирургический инструмент последнего, Flex Robotic System, получил одобрение FDA в 2015 году на использование. Хотя Choset теперь больше не связан с Medrobotics, он сказал, что наблюдение за живой операцией, в которой использовался робот, было кульминацией его профессионального опыта.

Фото: предоставлено Howie Choset

Choset сомневается, вдохновлен ли Flex змеями; он сказал, что змеевидная форма робота была разработана с учетом поворотов внутреннего пространства человека. Но другая, более поздняя работа, несомненно, включала в себя наблюдение за змеями и моделирование роботов после них, особенно благодаря сотрудничеству с физиком Джорджем Даном, физиком, чьи исследования в области биомеханики привели к созданию роботов, вдохновленных движением крабов, морских черепах., тараканы, прыгуны и песчанки.

Choset также признает влияние одного из пионеров робототехники, основанных на био, Роберта Фулла, который руководит лабораторией Poly-Pedal в Калифорнийском университете в Беркли. Изучая, как тараканы движутся и как гекконы взбираются на вертикальные поверхности, Фулл, Чосет и другие пытаются свести эти секреты к общим принципам дизайна, которые можно применять новыми способами.

«Должны ли мы копировать биологию? Нет. Спросите биолога об этом», сказал Чосет. «То, что мы хотим, - это выбрать лучшие принципы и пойти дальше».

Вместе Чосет и Голдман, вместе с Джозефом Мендельсоном из зоопарка Атланты, изучали движение змей бокового ветра, в конечном итоге характеризуя их крутые повороты как серию волн, изменяющих форму. Применив эти знания к программированию своих роботизированных змей, команда Чосета смогла заставить их карабкаться по песчаным холмам, что ранее было невыполнимой задачей. Понимание того, как змеи меняют форму своего тела, чтобы привести себя в порядок, также позволило Choset создавать роботов-змей, которые могут извлекать посты и внутреннюю часть дверных перемычек, что он считает чрезвычайно полезным для изучения опасных интерьеров - скажем, атомной электростанции или недоступные границы археологических раскопок.

«Я смущен тем фактом, что биология настолько сложна, и могу только надеяться, что она возьмет немного и вложит его в наших роботов», - сказал Чосет. «Но мы не копируем животных в той степени, в которой они способны. Мы хотим создать механизмы и системы, которые обладают большими возможностями».

Его описание его собственных достижений и достижений и открытий его учеников как довольно случайное также относится к тому, как подобные роботы появятся в мире по мере взросления. Медленно, с небольшими приращениями, исследования идут туда, сказал он.

«Эволюция тоже случайна», - заявил Чосет. «Нет единого переломного момента, только последовательность событий, которые, если смотреть со стороны, выглядят как большой прорыв».

Критический кроссовер

В основном нельзя ожидать, что инженеры будут знать, как работает биология, что делает сотрудничество между инженерами и биологами критическим. В Чикагском университете, исследования биолога Марка Вестнеата, класса рыб, привели к сотрудничеству с военно-морским флотом, что привело к появлению медленно движущегося, но гибкого подводного дрона, который может зависать на месте. Известные как WANDA (что означает «Гибкий автомат с деформируемыми плавниками в духе Wrasse»), подобные беспилотники будут полезны для проверки корпусов судов, пирсов и нефтяных вышек.

Высокоскоростная фотосъемка была центральной в усилиях почти 20 лет назад, когда Westneat впервые начал изучать изображения губанов и еще до того, как флот заинтересовался этой работой. В проточном резервуаре с постоянным током, который Вестнеат называет «беговой дорожкой для рыбы», губаны счастливо плавают вдоль, используя только свои грудные плавники, чтобы поддерживать фиксированное положение в резервуаре, в то время как высокоскоростные камеры фиксируют каждую деталь этого движения на 1000 кадров в секунду.

Фото: военно-морская исследовательская лаборатория США / Виктор Чен

В сочетании с очень подробным знанием биологами анатомии рыбы - как лучи плавников прикрепляются к ее мышцам, как нервные окончания в мембранах плавников передают напряжения и напряжения - фотография позволяет глубоко понять, как именно губки продвигаются через воду с поворотом и кручением их характерного пингвиноподобного взмаха. По словам Джейсона Гедера (Jason Geder), ведущего инженера проекта WANDA в NRL, способность Wrasse по существу зависать на месте, сохраняя его тело неподвижным даже при сильных или колеблющихся течениях, делает его идеальным видом для моделирования нового типа гибкой подводной машины.

«Традиционные транспортные средства с пропеллером или двигателем не имеют такой маневренности или имеют слишком большой радиус поворота», - сказал Гедер. «Это была хорошая рыба для моделирования, потому что, если бы мы хотели иметь жесткий корпус для полезных нагрузок в центре транспортного средства, мы могли бы получить аналогичную производительность, просто используя этот вид движения грудного плавника».

Westneat считает, что новые возможности трехмерной фотографии могут продвинуть исследование еще дальше. «Для рыбы это жизнь или смерть, но для нас лучшее понимание эффективности может означать лучшее питание от батареи», - сказал Вестнеат. «Мы действительно хотели бы близко имитировать основную структуру скелета и механические свойства мембран и посмотреть, сможем ли мы получить сверхвысокую эффективность».

Биологические коллекции музеев являются еще одним богатым и недостаточно используемым ресурсом для исследователей. Смитсоновский институт, например, хранит около 600 000 экземпляров только в своей коллекции позвоночных, и Рольф Мюллер из Virginia Tech использовал эти активы для своей работы над дронами, вдохновленными летучими мышами. Используя трехмерные сканы ушей и носа летучей мыши из Смитсоновского института, Мюллер создал аналогичные структуры для своего летающего робота, чтобы помочь ему сообщать обратную связь через тестовые прогоны по зиплайнам.

«У вас есть эти миллионы образцов, выложенных в ящиках, к которым вы можете получить доступ очень быстро», - сказал Мюллер. Он принимал участие в создании консорциума музейных профессионалов и исследователей, чтобы помочь сделать подобные коллекции по всей стране более доступными для развития на основе биоинспекции.

И затем, независимо от того, плавает ли источник в резервуаре или лежит в ящике для хранения, перевод этих данных в полезную форму остается проблемой. «Ваш типичный инженер хочет спецификации, но биолог, возможно, передает им анатомические рисунки», - сказал Вестнеат.

Лишь после того, как он сам приступил к некоторым из этих технических переговоров, он понял, что его работа может предоставить механические данные о движениях рыбы, которые могут трансформироваться в мощность и силы мотора, инженеры данных должны создать работающую машину. «Это те вещи, на которые может воздействовать естественный отбор, но они также определяют разницу между автономным транспортным средством, которое возвращается на корабль или нет».

Обратно в школу

Обучение, память и адаптация - это другие проблемы. Вернувшись на переоборудованный склад ВМФ, команда MeRLIn по-прежнему в основном занимается проблемами миниатюризации. Но они слишком понимают, что робот, который они представляют, не будет полным без способности учиться, запоминать и адаптироваться.

Хеншоу, который разводит овец дома, когда его нет в лаборатории, говорит, что наблюдая, как новорожденные ягнята переходят от влажной кучи к прогулке в течение нескольких часов, подчеркивается трудность искусственного воспроизведения этого процесса. «Никто на самом деле не понимает, как это работает», - сказал Хеншоу о нервных изменениях, требуемых от ягнят, чтобы постоянно приспосабливать их локомоции к быстрым изменениям массы тела, когда они вырастают в овец. Один из подходов, которые его команда использует для решения этой стратегии, заключается в написании программного обеспечения, которое позволяет им изменять способ генерации походок MeRLIn.

Отдельно Хеншоу является частью другого проекта по разработке биологически вдохновленной системы обучения. Он показал мне видео с роботизированной ногой, которая пинает мяч в маленький футбольный мяч. После трех запрограммированных ударов нога пинает мяч самостоятельно еще 78 раз, систематически выбирая собственные цели и отслеживая свои успехи и неудачи. Дальнейшее уточнение и применение к роботу, подобному MeRLIn, подобного кода облегчит, например, ходячему роботу самостоятельную адаптацию к разным весам полезной нагрузки или длинам ног.

«У многих проектов есть уравнения, которые выясняют, как оптимизировать центр тяжести или движения с помощью больших математических уравнений в реальном времени», - сказал Хеншоу. «Это работает, но это не совсем биологическое. Я не могу утверждать, что алгоритм, который я написал, именно то, что происходит в мозге, но это похоже на то, что должно происходить. Люди учатся лазать по деревьям и пинать шары через практику, а не числовую оптимизацию."

Хеншоу добавил, что глубокое изучение и доступ к собранным знаниям могли бы ускорить этот процесс, но в то же время аппаратное обеспечение не является достаточно надежным или слишком маленьким, чтобы соответствовать чему-то столь же компактному, как MeRLIn. «Если вам нужны эти маленькие роботы, нам нужно улучшать не столько алгоритмы, сколько оборудование, на котором они работают», - сказал он. «В противном случае потребуется слишком большой компьютер с слишком большими батареями, и он просто не будет работать».

Развивающийся рынок

Сокращения, которые биология обеспечивает для создания инновационных платформ тела и стратегий передвижения, также могут помочь сделать биологически вдохновленных роботов более экономически жизнеспособными. Чосет - не единственный ученый, основавший компанию, которая помогает продвигать практические приложения для своих творений; На самом деле Eelume, основанная норвежским профессором робототехники Кристином Иттерстадом Петтерсеном, в настоящее время продает собственную роботизированную плавучую змею для задач подводной разведки и инспекции. И De, и Kinneally основали Ghost Robotics, компанию по продаже Minitaur.

В игру вступают и крупные частные компании. Бостон Инжиниринг находится на завершающей стадии проведения полевых демонстраций со своим роботом для морской инспекции, получившим название BioSwimmer. Этот бот не просто вдохновлен тунцом - все его внешнее тело основано на сканировании голубого тунца длиной пять футов, который был пойман возле офисов компании в Уолтеме, штат Массачусетс. Как и в случае с живым тунцом, движущая сила исходит из хвоста, что позволяет штабелировать переднюю половину автомобиля с помощью датчиков и полезных нагрузок. Однако цель состояла не в том, чтобы подражать тунцу, а в том, чтобы использовать эффективность и высокую производительность животного.

Майк Руфо, директор группы продвинутых систем Boston Engineering, сказал, что биологические аспекты проекта не облегчают его разработку, но и не добавляет дополнительных сложностей. Руфо утверждает, что компания создала BioSwimmer (пять футов в длину и 100 фунтов) примерно за ту же стоимость, что и аналогичные проекты - около 1 миллиона долларов, - и что она будет оценена аналогично другим автомобилям такого размера. Но эффективность движения, обеспечиваемая движущей силой тунца, позволяет ему работать дольше на стандартных источниках энергии.

«Есть несколько технических препятствий, которые на нашем пути, вместе взятые, связаны с биоинспирированной робототехникой», - сказал Руфо. «Но биоинспирация предоставляет возможности для непосредственного решения этих проблем или повышения производительности таким образом, чтобы смягчить воздействие этих проблем. Например, несмотря на некоторые действительно крутые достижения в области аккумуляторных технологий, мы находимся на плато того, сколько энергии вы можете интегрировать в что-то заданного размера. Но если вы можете оценить эффективность системы, то, возможно, батарея не так сильно на вас повлияет. Это та область, где биоинспирация играет большую роль ». Тем не менее, он считает, что подобные роботы не будут обычным явлением в оборонных приложениях или каким-либо другим образом, по крайней мере, в течение следующих пяти-десяти лет.

Независимо от монументальных проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем у нас появятся не слишком жуткие помощники-роботы в нашей повседневной жизни, даже за последние несколько лет были достигнуты огромные успехи в понимании того, что биология и эволюция прояснили: ошеломляющая способность организмов адаптировать и выполнять.

«Да, иногда кажется, что это сизифов», - сказал Вестниат. «Я смотрю на этих водных роботов, и они кажутся мне неуклюжими; но потом я привык видеть этих грациозных животных, плавающих через коралловый риф. Но не слишком возмутительно думать, что инженеры и биологи могут собраться вместе и создать роботы, которых вы бросаете в воду, сами плавают. Все захватывающе ».