Инженерите са съгласни: природата прави най-добрите роботи

Ескортът ми и аз вървяхме в продължение на пет солидни минути през преобразуван склад от ерата от Втората световна война, навивайки се през лабиринта от мрачни коридори и кавернозен железопътен залив, след това през лаборатория, пълна с скелети на космически кораби в средата на прототипирането. Най-накрая стигнахме до работното бюро, където ВМС изгражда… катеричка-робот.

"Катеричката" е малко разтягане, тъй като първата напълно изградена версия на Месо-мащабната инициатива за роботизирани локомоции (MeRLIn) ще тежи от 10 до 20 килограма, когато приключи тази пролет - чудовище от гризач, по определение на никого, Роботът в сегашната си форма се състои от правоъгълен колектор и 10-та итерация на куче, свързан с куче, монтиран върху плъзгаща се алуминиева подпора. Яркосин 3-D отпечатан модел наблизо показа как ще изглежда след завършване: безглава машина с четири крака с размерите на йоркширски териер.

Но когато инженерите на проекта го уволниха, за да ми демонстрират, видях защо се отнасят към MeRLIn като катеричка: Въпреки малките си двигатели и буталата с хидравлично задвижване, тя може да скочи като ад.

MeRLIn е само един от последните роботи, които имат животни, които да благодарят за вдъхновението си. Животинското царство изобилства с примери за интелигентно усещане и движение, а ефективността е крал в света, управляван от батерии, с ограничена мощност на автономна роботика. Способността да се имитира скок на кенгуру например би постигнала идеален компромис между мощност и производителност: Сухожилията на опасните задни крайници на тези сумки съхраняват енергия между всеки крак, което позволява на животните да изминават дълги разстояния със сравнително малък разход на енергия.

Снимка: Военноморски изследвания на САЩ

Биологията стои зад някои от най-иновативните роботизирани модели, появяващи се днес: Погледнете Салто на UC Berkeley, вдъхновен от скачащия африкански бушби, или мантаботът на Университета на Вирджиния, моделиран след каунозни лъчи на залива Чесапийк.

Лесно е да разбереш защо. Биологично вдъхновените дизайни имат ясни предимства, когато става дума за изпълнение на задачи, за които човешката форма е слабо приспособена. От мънички мухи до дълбоководни риби и дори микроби (някои горивни клетки се задвижват от микробна химия), природата е измислила и е измайсторила невероятно ефективни начини да си свършите работата. Милиони години еволюция направиха животните невероятно ефективни в работата си - летене, скачане, ходене и плуване; усещане в невидими спектри; и вероятно повече способности, които все още не сме открили.

Но далеч не са механични реплики на животни, биоботите, които се изграждат днес, напредват целта за дестилация на тези елегантни биологични решения. Настоящият момент е да разберем какви са тези стратегии, да ги създадем в техните основни същности и да ги използваме за нашите собствени цели. Докато учените и инженерите изграждат компоненти, които могат да се движат по-добре, процесори, които могат да мислят по-дълбоко, и сензори, които могат да разпознаят по-фино, въпреки това, прехвърлянето на всичко това в наистина функционален, масово постигаем пакет остава неизбежна задача.

Падане преди ходене

Ако MeRLIn изглежда познато - добре, би трябвало. Глен Хеншоу, водещият изследовател на проекта, заяви, че екипът му не прави никакви кости от факта, че MeRLIn е вдъхновен от много по-големи и по-тежки предци, които вече са намерили добра мярка за интернет слава, включително L3 на Boston Dynamics, L3 и Big Dog и MIT's Гепард.

Снимка: Военноморска лаборатория на САЩ / Виктор Чен

Онова, към което се стремят инженерите от Navy Research Lab, е по-малък, по-тих и по-пъргав робот, за който не са нужни двама млади морски пехотинци, за да го настроят, за да проверят потенциалните опасности. Но изграждането на MeRLIn не е толкова просто, колкото просто мащабиране на всички части, за да се направи робот, който може да се побере в раницата на войника. Това е също процес на разбиране как и защо функционират определени походки, защо тези походки са подходящи за различен терен и как да се изгради робот, който може да се научи да се адаптира и да избере правилните.

Пристигайки на пейката на MeRLIn, инженерът по контрола Джо Хейс въведе няколко тестови команди в компютър, правейки крака на робота и потрепване. След като свали опорната си опора, единственият крак на MeRLIn вдигна тялото си с размер на тухла под собствената си мощност, сега заредено с хидравлична течност.

След миг, с гръмотевичен спазъм, кракът изстреля мерилин почти три фута във въздуха, насочен нагоре и обратно към масата от вертикалната си метална шина. Повтаряйки това упражнение още три пъти, роботът удари тавана на защитния си корпус след един последен, мощен скок, кацна толкова силно, че кракът му се срина.

„Има много неща, които все още не знаем за движението на животните, честно казано“, каза Хеншоу. "И ние наистина не разбираме нервно-мускулната система толкова добре, колкото бихме искали. Опитваме се да изградим нещо, без да знаем точно как трябва да върви."

Екипът все още разработва още няколко въпроса с хидравликата, но намери добър успех с адаптивен алгоритъм, който проучва и коригира несигурностите в хардуерната схема със скорост веднъж на милисекунда. Те очакват да се опита да скочи от земята до бюро в рамките на няколко месеца.

В Университета на Пенсилвания Авик Де и Министърът на Гавин Кенели е друг скорошен супер малък, лек четириног, създаден под ръководството на Дан Кодитчек. Тежеше едва 14 килограма, малкият им бот има мила, ограничаваща походка. Любопитството бързо се превръща в чудо, когато гледате видеоклипове на тяхното създаване, изкачващи се по стълби, катерещи се огради и скачащи, за да отключите дръжка на вратата.

Снимка: Courtesy Ghost Robotics

Де и Кенели драстично отрязват по-голямата част от своя бот, като използват крака със свободно задвижване, директно задвижване вместо традиционните крака, задвижвани със зъбни колела. Моторите действат като сензори за обратна връзка към софтуера на робота, откривайки и регулирайки въртящия момент, който те предават 1000 пъти всяка секунда. Резултатът е робот, който може да се върже бавно или бързо, да се изкачва по стълби и да скача нагоре и да замахва с комплект крака наоколо, за да закачи дръжка на вратата, за да я отвори.

Макар че все още е далеч от автономни, липсващи сензори и системи за управление, които биха му позволили свободен обхват, уникалното, регулируемо действие на pogo-stick демонстрира, че гъвкавостта е възможна дори без големи, мощни механизми на задвижване. Също така е направен от налични в търговската мрежа части.

„Очевидно има достатъчно мотивация да имаш крака, но сегашното състояние на технологията не е достатъчно зряло и е твърде скъпо“, каза Де, като се позовава и на робота Atlas на Boston Dynamics „повече от способен, но патентован и скъп, така че не лесно повторен. „Искахме да направим робот, който да е достъпен за други хора, за да могат да се опитат да внедрят платформата за собствените си приложения.“

Slithery решения

По собствено признание Хауи Чосет се страхува от змии. Тогава е чудесно иронично, че най-известните му творби могат най-добре да се опишат като змийски.

Чосет, доцент в Университета Карнеги Мелън в Питсбърг, работи със змийски роботи, тъй като е бил аспирант, и е събирал литания от постижения. Той ръководи Института по роботика на CMU - лаборатория, в която много от създадените творения разполагат с повтарящите се телесни сегменти от змии. Той е и редактор на наскоро дебютиращото списание Science Robotics и е автор на учебник за принципите на движението на робота.

И само за да остане зает, той основава и две компании: Hebi Robotics и Medrobotics. Последният усъвършенстван ендоскопски хирургически инструмент, Роботичната система Flex, получи одобрение на FDA през 2015 г. за употреба. Въпреки че Choset вече не е официално свързан с Medrobotics, той каза, че гледането на операция на живо, в която е използван роботът, е връхната точка на неговия професионален опит.

Снимка: С любезното съдействие Хоуи Чосет

Чосет демурира дали Flex е вдъхновен от змии; той каза, че серпентинната форма на робота е проектирана с обратите на обратите на човешкото вътрешно пространство. Но други, по-скорошни работи са със сигурност включени в гледане на змии и моделиране на роботи след тях, особено чрез сътрудничество с Дан Голдман от Georgia Tech, физик, чиито изследвания в биомеханиката доведоха до създаването на роботи, вдъхновени от движението на раци, морски костенурки., хлебарки, кални и пясъчни рибки.

Choset признава и влиянието на един от оригиналните пионери на био-вдъхновената роботика, Робърт Фулд, който ръководи лабораторията на UC Berkeley Poly-Pedal. Изучавайки как се движат хлебарки и как геконите се изкачват по вертикални повърхности, Full, Choset и други се стремят да свалят тези тайни в общи дизайнерски принципи, които могат да бъдат приложени по нови начини.

"Трябва ли да копираме биология? Не. Попитайте биолог за това", каза Чосет. "Това, което искаме, е да изберем най-добрите принципи и да отидем от там."

Заедно Чосет и Голдман, заедно с Джоузеф Менделсън от зоопарк Атланта, изучаваха движението на страничните змии, в крайна сметка характеризирайки техните рязко завъртащи се движения като поредица от вълни с изместване на формата. Прилагайки тези знания в програмирането за роботизираните си змии, екипът на Choset успя да ги накара да се качат върху пясъчни могили, преди това невъзможна задача. Разбирането на това как змиите променят формата на тялото си, за да се заобиколят също е позволило на Choset да изгради змийски роботи, които могат да изписват постове и вътрешността на преградите на вратите, нещо, което той смята за изключително полезен за проучване на опасни интериори - да речем, атомна електроцентрала или недостъпни ограничения на археологически обект.

"Смутен съм от факта, че биологията е толкова сложна и може само да се надяваме да я вземем малко и да я вложим в нашите роботи", каза Чосет. "Но ние не репликираме животните до фината степен и способности, които животните имат. Това, което искаме, е да изградим механизми и системи, които имат големи възможности."

Описанието на собствения му напредък и постиженията и откритията на учениците му като доста неподходящи се прилага и за това как роботи като тези ще излязат в света, докато узреят. Бавно, на малки стъпки, изследванията стигат до там, каза той.

"Еволюцията също е случайна", твърди Чосет. „Няма нито една преломна точка, а само поредица от развития, които се виждат отвън, изглежда като голям пробив“.

Критичен кросоувър

По принцип не може да се очаква, че инженерите знаят как работи биологията, което прави сътрудничеството между инженери и биолози критично. В Чикагския университет проучванията на биолога Марк Уестнейт за дрехи, клас риба, доведоха до сътрудничество с ВМС, което доведе до бавно движещ се, но пъргав подводен дрон, който може да лети на мястото си. Известен като WANDA (което означава "Вдъхновен от Wrasse Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"), дронове като тези ще бъдат полезни за проверки на корабни корпуси, пристанища и петролни платформи.

Високоскоростната фотография беше централна за усилията преди близо 20 години, когато Westneat за пръв път започна да прави образни изследвания на расти и преди ВМС да се заинтересуват от работата. В потоков резервоар с постоянен ток, който Westneat нарича "бягаща пътека за риба", бръчките плуват щастливо, използвайки само своите грудни перки, за да поддържат фиксирана позиция в резервоара, докато високоскоростните камери улавят всеки детайл от това движение на 1000 кадри в секунда.

Снимка: Военноморска лаборатория на САЩ / Виктор Чен

В комбинация с високо подробните познания на биолозите за анатомията на рибата - как нейните перкасти лъчи се прикрепят към мускулите му, как нервните окончания в мембраните на перките пренасят напреженията и напрежението - фотографията дава възможност за дълбоко познаване как точно бръчките се движат през водата с усукване и усукване на техния характерен пингвин-подобен удар. Способността на wrasse по същество да лежи на мястото си, докато поддържа тялото си неподвижно дори при силни или колебаещи се течения, го прави идеален вид за моделиране на нов тип пъргав подводен автомобил, заяви Джейсън Гедер, водещ инженер по проекта WANDA в NRL.

„Традиционните превозни средства, задвижвани с витло или тяга, нямат такъв маневреност или имат прекалено висок радиус на завой“, каза Гедер. "Това беше добра риба за моделиране, защото ако искахме да имаме твърд корпус за полезен товар в центъра на превозното средство, бихме могли да постигнем подобно представяне, само използвайки този вид движение на грудни перки."

Westneat смята, че по-новите възможности за 3D фотография могат да прогресират изследванията още повече. "За рибата това е живот или смърт, но за нас по-доброто разбиране на ефективността може да означава по-добра енергия на батерията", каза Westneat. „Наистина бихме искали да имитираме тясно скелетната структура и механичните свойства на мембраните и да видим дали можем да постигнем супер висока ефективност.“

Биологичните колекции на музеите са друг богат и недостатъчно използван ресурс за изследователите. Smithsonian например съхранява близо 600 000 екземпляра само в своята гръбначна колекция, а Ролф Мюлер от Virginia Tech се възползва от тези стопанства за работата си върху дронове, вдъхновени от прилепи. Използвайки 3D сканиране на уши на прилеп и носове от Smithsonian, Мюлер е създал подобни структури за своя летящ робот, за да му помогне да отчита обратна връзка чрез своите тестове, насочени по цип.

"Имате тези милиони екземпляри, подредени в чекмеджета, до които можете да получите достъп много бързо", каза Мюлер. Той участва в създаването на консорциум от музейни специалисти и изследователи, за да помогне на колекциите като тези в цялата страна да станат по-достъпни за развитие на биоинспирирани.

И тогава, независимо дали източникът плува в резервоар или лежи в чекмедже за съхранение, превеждането на тези данни в полезна форма остава предизвикателство. "Вашият типичен инженер иска спецификации, но биологът може да им предаде анатомични чертежи", каза Westneat.

Едва когато сам започна да ходи на някои от тези инженерни разговори, той осъзна, че работата му може да предостави механични данни за движенията на рибата, които биха могли да се превърнат в двигателна сила и сили, инженерите на данни трябва да създадат работеща машина. "Това са нещата, върху които може да действа естественият подбор, но те също правят разликата между автономното превозно средство, което го връща обратно на кораба или не."

Отново на училище

Ученето, паметта и адаптацията са изцяло други предизвикателства. Обратно в преобразувания склад на флота, екипът на MeRLIn все още се занимава основно с проблемите на миниатюризацията. Но те са твърде наясно, че роботът, който предвиждат, няма да бъде завършен без способността да се учат, запомнят и адаптират.

Хеншоу, който отглежда овце у дома, когато не е в лабораторията, заяви, че гледането на новородени агнета да преминават от влажна грамада до ходене за няколко часа, подчертава трудността от изкуственото възпроизвеждане на този процес. "Няма човек, който наистина да разбере как става", казва Хеншоу за невронните промени, необходими на агнетата, за непрекъснато приспособяване на локомоцията им към бързи промени в телесната маса, докато прерастват в овце. Един от подходите на екипа му да се справи с тази стратегия е да напише софтуер, който им позволява да променят начина, по който се генерират MeRLIn походките.

Отделно Henshaw е част от друг проект за разработване на биологично вдъхновена система за обучение. Той ми показа видео на роботизиран крак, вкарващ топка в малък футболен гол. След три програмирани ритника кракът рита топката още 78 пъти, като систематично избира собствените си цели и следи успехите и провалите си. По-нататъшно усъвършенстване и прилагане на робот като MeRLIn, код като този би улеснил ходещия робот да се адаптира самостоятелно към различни тегла на полезния товар или дължина на краката, например.

"Много проекти имат уравнения, които измислят как да оптимизират центъра на тежестта или движението чрез големи математически уравнения в реално време", каза Хеншоу. "Това работи, но не е точно биологично. Не мога да твърдя, че алгоритъмът, който съм написал, е точно това, което се случва в мозъка, но изглежда като нещо, което трябва да се случва. Хората се научават да се катерят по дървета и да ритат топки чрез практика, а не числена оптимизация."

Дълбокото учене и достъпът до събраните знания вероятно би ускорил този процес, добави Хеншоу, но там отново хардуерът не е достатъчно здрав или достатъчно малък, за да се впише в нещо толкова умалително като MeRLIn. "Ако искате тези малки роботи, не е толкова много, че трябва да подобрим алгоритмите, а хардуера, на който работят", каза той. „В противен случай ще вземете прекалено голям компютър с батерии, които са твърде големи и просто няма да работят.“

Нововъзникващ пазар

Преките пътища, които биологията предоставя за създаване на иновативни платформи за тяло и локомоционални стратегии, също могат да помогнат да се направят биологично вдъхновени роботи по-икономически жизнеспособни. Choset не е единственият академик, който е стартирал компания за подпомагане на практическите приложения за своите творения; всъщност Eelume, основана от Норвежкия университет за наука и технология по роботика, Кристин Иттерстад Петтерсен, в момента предлага своя собствена роботизирана плувна змия за подводни проучвания и проверки. И De и Kinneally основават Ghost Robotics, компания, която предлага на пазара Minitaur.

Големи частни компании също влизат в играта. Boston Engineering е в крайните етапи на демонстрации на полето със своя морски робот за инспекция, наречен BioSwimmer. Този бот не е просто вдъхновен от риба тон - цялото му външно тяло се основава на сканиране на пет фута дълбок тон, който беше уловен близо до офисите на компанията в Уолтъм, Масачузетс. И както при живата риба тон, задвижващата сила произлиза от опашката, което позволява предната половина на автомобила да бъде подредена със сензори и полезен товар. Целта обаче не беше да имитира риба тон, а да впрегне ефективността и високото представяне на животното.

Майк Руфо, директор на групата за усъвършенствани системи на Boston Engineering, каза, че биологичните аспекти на дизайна не улесняват разработването, но и не създават допълнителни трудности. Rufo твърди, че компанията е построила BioSwimmer (който е дълъг пет фута и 100 паунда) за приблизително същите разходи като подобни проекти - около 1 милион долара - и че той ще бъде подобен на други превозни средства с неговия размер. Но ефективността на движение, осигурена от задвижваната стратегия за задвижване на риба тон, му позволява да работи по-дълго при стандартни източници на енергия.

"Има няколко технически препятствия, които са на пътя ни, колективно, с биоинспирирана роботика", каза Руфо. „Но биоинспирацията предлага възможности да се обърнете към тях директно или да подобрите производителността по начин, който смекчава въздействието на тези предизвикателства. Например, въпреки някои наистина страхотни постижения в технологията на батериите, ние сме на плато колко енергия можете да интегрирате в нещо с определен размер. Но ако можете да се справите с ефективността на системата, тогава може би батерията не ви влияе толкова много. Това е една област, в която биоинспирацията играе голяма роля. " И все пак той смята, че роботи като тези няма да са нещо обичайно в приложенията за отбрана или по друг начин поне през следващите пет до 10 години.

Независимо от монументалните предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, преди да не имаме твърде страховити роботизирани помощници в ежедневието си, дори през последните няколко години бяха постигнати огромни стъпки към капсулиране на това, което ясно направи биологията и еволюцията: ослепителната способност на организмите за адаптиране и изпълнение.

"Изглежда понякога сизифен, да", каза Уестнейт. "Гледам тези водни роботи и те ми изглеждат тромави; но тогава съм свикнал да виждам тези грациозни животни да плуват през коралов риф. Но не е твърде възмутително да мисля, че инженерите и биолозите могат да се съберат и да създадат роботи, които хвърляте във водата, които сами плуват. Всичко е вълнуващо."