Els enginyers coincideixen: la naturalesa converteix els millors robots

Els meus escorts i jo vam caminar durant cinc minuts sòlids per un magatzem convertit en l'era de la Segona Guerra Mundial, passant per un laberint de passadissos tenebrosos i una badia de ferrocarril cavernós, i després per un laboratori ple d'esquelets de naus espacials enmig del prototipat. Finalment vam arribar al banc de treball on està construint la Marina… un esquirol robot.

"L'esquirol" és una mica d'estirament, ja que la primera versió totalment integrada de la Iniciativa de Locomoció Robòtica de Meso-escala (MeRLIn) pesarà entre 10 i 20 lliures en acabar aquesta primavera: un monstre d'un rosegador, segons la definició de qualsevol.. El robot, en la seva forma actual, consisteix en un col·lector rectangular i la desena iteració d’una cama articulada per gos, muntada sobre un puntal d’alumini lliscant. Un model imprès en 3D de color blau brillant que hi ha a prop mostra com es veu completament: una màquina sense cap i de quatre potes aproximadament de la mida d’un terrier de Yorkshire.

Però quan els enginyers del projecte ho van disparar per donar-me una demostració, vaig veure per què es refereixen a MeRLIn com a esquirol: malgrat els seus minúsculs motors i els seus pistons impulsats per hidràulica, pot saltar com l'infern.

MeRLIn és només un dels robots recents que tenen animals per agrair la seva inspiració. El regne animal és ric amb exemples de sensació i moviment hàbils, i l'eficiència és el rei en el món de la robòtica autònoma basat en bateries. La capacitat d’imitar el salt d’un cangur, per exemple, suposaria un enfocament ideal entre la potència i el rendiment: Els tendons de les formidables extremitats posteriors d’aquests marsupials emmagatzemen energia entre tots els passos, permetent als animals recórrer llargues distàncies amb relativament poca despesa d’energia.

Foto: US Naval Research

La biologia s’amaga darrere d’alguns dels dissenys de robòtica més innovadors que s’apareixen avui: Mira el UC Berkeley Salto, inspirat en el bosc africà de gran salt, o el mantabot de la Universitat de Virgínia, modelat després dels rajos cownos de la badia de Chesapeake.

És fàcil veure per què. Els dissenys d’inspiració biològica tenen clars avantatges a l’hora de realitzar tasques per a les quals la forma humana està poc adaptada. Des de mosques minúscules fins a peixos de fons i fins a microbis (algunes piles de combustible són impulsades per la química microbiana), la naturalesa ha picat i ha ajustat maneres sorprenentment efectives per fer feina. Milions d’anys d’evolució ha fet que els animals siguin increïblement eficaços en la feina que fan: volar, saltar, caminar i nedar; sensació en espectres invisibles; i probablement més habilitats que encara no hem descobert.

Però, lluny de ser rèpliques mecàniques d’animals, els bio-robots que s’estan construint avui avancen l’objectiu de destil·lar aquestes solucions biològiques elegants. L’empenta ara és analitzar quines són aquestes estratègies, comparar-les en les seves essències principals i aprofitar-les per als nostres propòsits. Tot i que els científics i els enginyers creen components que es poden moure millor, els processadors que poden pensar més profundament i els sensors que poden detectar-se amb més precisió, tot i que, junts en un paquet realment funcional i produït en massa, continua sent una tasca evasiva.

Caure abans de caminar

Si MeRLIn sembla familiar, així ho hauria de fer. Glen Henshaw, investigador principal del projecte, va dir que el seu equip no fa res al fet que MeRLIn s’inspira en avantpassats molt més grans i més pesats que ja han trobat una bona mesura de fama a Internet, inclosos Boston Dynamics’L3 i Big Dog i MIT’s. Guepard.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

El que pretenen els enginyers del Laboratori de Recerca de la Marina és un robot més petit, més tranquil i més àgil, que no requereix dos joves marins que s’estenguin per configurar-lo per comprovar els possibles perills. Però construir MeRLIn no és tan senzill com simplement reduir totes les parts per fer un robot que pugui encaixar en la motxilla del soldat. També és un procés d’entendre com i per què funcionen determinats trets, per què aquestes sortides són adequades per a un terreny variable i com es pot crear un robot que pugui aprendre a adaptar-se i triar-ne els més adequats.

Arribant a la banqueta de MeRLIn, l'enginyer de controls, Joe Hays, va introduir diverses ordres de prova a un ordinador, cosa que va fer que la cama del robot es retorcés i empipés. Després de treure-li el puntal de suport, la cama sola de MeRLIn va mantenir el cos de maó sota la seva pròpia potència, ara carregat de fluid hidràulic.

Poc després, amb un espasme llampant, la cama va llançar el merRLin a gairebé tres peus a l'aire, guiada i tornada a la taula per la seva barana metàl·lica vertical. Repetint aquest exercici tres vegades més, el robot va colpejar el sostre del seu recinte de protecció després d’un potent salt potent, aterrant tan fortament que la cama es va esfondrar.

"Francament, hi ha moltes coses que encara no sabem sobre la locomoció d'animals", va dir Henshaw. "I realment no entenem el sistema neuromuscular tan bé com ens agradaria. Intentem construir alguna cosa sense saber exactament com ha de caminar".

L’equip segueix treballant alguns problemes més amb la hidràulica, però ha aconseguit un bon èxit amb un algorisme adaptatiu que sondeja i corregeix les incerteses del circuit del maquinari a un ritme d’una vegada per milisegon. Esperen tenir-lo per intentar saltar del terra a un escriptori en uns quants mesos.

A la Universitat de Pennsilvània, Avik De i el Minitaur de Gavin Kenneally és un altre quadrúped ultra-petit i lleuger recent, creat sota la direcció de Dan Koditschek. Pesa només 14 quilograms, el seu petit bot té un marge encantador. L’esforç es torna a preguntar ràpidament, però, quan veieu vídeos de la seva creació remuntant escales, pujant tanques i saltant per desfer el mànec de la porta.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De i Kenneally van tallar dràsticament la major part del seu bot mitjançant les potes de tracció directa amb oscil·lació lliure en lloc de les potes tradicionals amb engranatges. Els motors actuen com a sensors de retroalimentació al programari del robot, detectant i ajustant el parell que proporcionen 1.000 vegades cada segon. El resultat és un robot que pot lligar lentament o ràpidament, pujar escales i saltar cap amunt i fer girar un conjunt de potes al voltant per enganxar una nansa de la porta per obrir-la.

Tot i que encara està lluny de tenir autonomia, manca de sensors i sistemes de control que li permetessin un rang lliure, l’única i regulable actuació de pogo-stick de Minitaur demostra que l’agilitat és possible fins i tot sense grans mecanismes d’accionament potents. També està fabricat amb peces comercials disponibles.

"És evident que hi ha molta motivació per tenir potes, però l'estat actual de la tecnologia no és prou madur i costós prohibitiu", va dir De, fent referència també al robot Atlas de Boston Dynamics, més que capaç, però propietari i car, de manera que no fàcilment replicat. "Volíem fer un robot que fos accessible per a altres persones perquè poguessin intentar implementar la plataforma per a les seves pròpies aplicacions."

Solucions Slithery

Howie Choset, per admissió pròpia, té por de les serps. És meravellosament irònic, doncs, que les seves obres més conegudes es puguin descriure millor com a "snakelike".

Choset, professor associat de la Universitat Carnegie Mellon de Pittsburgh, treballa amb robots de serps des de que era estudiant de postgrau i li va acumular una letania d’èxits. Dirigeix ​​l’Institut de Robòtica de CMU, un laboratori on moltes de les creacions en curs presenten els segments del cos repetits de serps. És també editor de la recent estrenada revista Science Robotics i ha estat autor d’un llibre de text sobre principis del moviment del robot.

I només per estar ocupat, també ha fundat dues empreses: Hebi Robotics i Medrobotics. L'evolució d'eina quirúrgica endoscòpica d'aquest últim, el Flex Robotic System, va rebre l'aprovació de la FDA el 2015 per al seu ús. Tot i que Choset ja no està formalment afiliat a Medrobotics, va dir que observar una operació en viu en la qual es va utilitzar el robot era el punt àlgid de la seva experiència professional.

Foto: Cortesia Howie Choset

Choset explica si el Flex es va inspirar en serps; va dir que la forma de serpentina del robot estava dissenyada tenint en compte les voltes i les voltes de l’espai interior humà. Però altres treballs més recents han implicat, certament, mirar les serps i modelar robots després d'ells, sobretot mitjançant la col·laboració amb Dan Goldman, un físic de Geòrgia, la investigació en la biomecànica ha portat a la creació de robots inspirats en el moviment de crancs i tortugues marines., paneroles, barretes i marisc.

Choset també reconeix la influència d’un dels pioners originals de la robòtica d’inspiració bio, Robert Full, que dirigeix ​​el laboratori Poly-Pedal de la UC Berkeley. Estudiant com es mouen les paneroles i com els geckos pugen a superfícies verticals, Full, Choset i altres busquen fer caure aquests secrets en principis generals de disseny que es poden aplicar de maneres noves.

"Hem de copiar biologia? No. Pregunteu-ho a un biòleg", va dir Choset. "El que volem és criar els millors principis i anar d'allà".

Junts, Choset i Goldman, juntament amb Joseph Mendelson del Zoo Atlanta, van estudiar el moviment de les serps laterals, caracteritzant en última instància els seus moviments de gir forts com una sèrie d’ones canviants de forma. Aplicant aquests coneixements a la programació de les seves serps robòtiques, l'equip de Choset va aconseguir fer-los agafar per muntanyes de sorra, una tasca prèviament impossible. Comprendre com els serps canvien la forma del seu cos per desplaçar-se, també ha permès a Choset construir robots de serps que puguin redactar els pals i els interiors de les llindes de la porta, cosa que considera que és eminentment útil per a explorar interiors perillosos, per exemple, una central nuclear o la confins inaccessibles d’un jaciment arqueològic.

"Em molesta el fet que la biologia sigui tan complexa i només espero esperar-ne una mica i posar-la als nostres robots", va dir Choset. "Però no estem replicant animals en el bon grau i capacitat que tenen els animals. El que volem és construir mecanismes i sistemes que tinguin grans capacitats".

La descripció dels seus avenços i els èxits i descobriments dels seus estudiants tan serendípits també s'aplica a com aquests robots sortiran al món a mesura que maduren. Lentament, en petits increments, la investigació va arribant, va dir.

"L'evolució també és casual", va afirmar Choset. "No hi ha cap punt d'inversió, només una seqüència de desenvolupaments que, vista des de fora, sembla un gran avenç".

Un crossover crític

En primer lloc, no es pot esperar que els enginyers sàpiguen el funcionament de la biologia, cosa que fa que les col·laboracions entre enginyers i biòlegs siguin importants. A la Universitat de Chicago, els estudis del biòleg Mark Westneat sobre les pastures, una classe de peixos, van conduir a la col·laboració amb la Marina, donant com a resultat un drone submarí de moviment lent però àgil que es pot col·locar al seu lloc. Coneguts com a WANDA (que significa "Automat-Agile Near-shore Deformable-fin Automaton", inspirats en Wrasse), drones com aquestes seran útils per a la inspecció dels casc de les naus, dels pilars i de les plataformes de petroli.

La fotografia d’alta velocitat va ser fonamental en l’esforç de fa gairebé vint anys, quan Westneat va començar per primera vegada a fer estudis d’imatge de les herbes i abans que la Marina s’interessés per la feina. En un dipòsit amb un corrent constant, que Westneat anomena "cinta rodant per als peixos", els pastures neden feliçment, utilitzant només les seves aletes pectorals per mantenir una posició fixa en el dipòsit, mentre que les càmeres d'alta velocitat capturen tots els detalls d'aquest moviment a 1.000. fotogrames per segon.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Combinada amb el coneixement altament detallat dels biòlegs de l’anatomia del peix, com els seus raigs d’aleta s’uneixen als músculs, com les terminacions nervioses de les membranes d’aleta retransmeten tensions i tensions, la fotografia permet un coneixement profund de com s’apropien exactament les pastures a través de l’aigua. amb el trencament i la torsió del seu característic traç de solapa semblant a un pingüí. La capacitat de la wrasse d’enfilar-se essencialment al seu lloc mentre manté el cos encara en corrents forts o fluctuants fa que sigui una espècie ideal per modelar per a un nou tipus de vehicle submarí àgil, va dir Jason Geder, un enginyer principal del projecte WANDA a NRL.

"Els vehicles tradicionals amb hèlix o propulsors no tenen aquest tipus de maniobrabilitat o tenen un radi de gir massa alt", va dir Geder. "Aquest era un bon peix per modelar, perquè si volguéssim tenir un casc rígid per a les càrregues útils al centre del vehicle, podríem obtenir un rendiment similar només amb aquest tipus de moviment de l'aleta pectoral".

Westneat creu que les noves capacitats fotogràfiques en 3D poden avançar encara més la investigació. "Per al peix, és vida o mort, però per a nosaltres, una millor comprensió de l'eficiència pot suposar una millor potència de la bateria", va dir Westneat. "Ens agradaria molt imitar l'estructura esquelètica subjacent i les propietats mecàniques de les membranes i veure si podem obtenir una eficiència super-alta".

Les col·leccions biològiques dels museus són un altre recurs ric i infrautilitzat per als investigadors. El Smithsonian, per exemple, conté gairebé 600.000 exemplars a la seva col·lecció de vertebrats i Rolf Müller, de Virginia Tech, s'ha dedicat a aquestes explotacions per al seu treball sobre drons inspirats en ratpenat. Mitjançant les exploracions en 3D d’orelles i nassos de ratpenat del Smithsonian, Mueller ha creat estructures similars per al seu robot volador per ajudar-lo a reportar comentaris a través de les seves proves guiades de línia lineal.

"Teniu aquests milions d'exemplars alineats en calaixos, als quals podeu accedir molt ràpidament", va dir Müller. Ha participat en la creació d’un consorci de professionals i investigadors museístics per ajudar a fer més accessibles col·leccions com aquestes a tot el país per al progrés bioinspirat.

I després, sense importar si la font està nedant en un dipòsit o estant en un calaix d’emmagatzematge, traduir aquestes dades en un formulari útil continua sent un repte. "El vostre enginyer típic vol especificacions, però el biòleg podria donar-los dibuixos anatòmics", va dir Westneat.

No va ser fins que va començar a anar a algunes d’aquestes converses d’enginyeria que es va adonar que el seu treball podia proporcionar dades mecàniques dels moviments del peix que es podrien traduir en forces i forces del motor, els enginyers de dades necessiten produir una màquina de treball. "Són les coses sobre les quals pot actuar la selecció natural, però també marquen la diferència entre el vehicle autònom que el fa tornar o no al vaixell".

Tornar a l'escola

L’aprenentatge, la memòria i l’adaptació són uns altres reptes del tot. De nou al magatzem convertit de la Marina, l’equip de MeRLIn encara es dedica principalment als problemes de miniaturització. Però són massa conscients que el robot que imaginen no seria complet sense la capacitat d’aprendre, recordar i adaptar-se.

Henshaw, que cria a les ovelles a casa quan no és al laboratori, va dir que veure els xais nascuts passar d’un munt humit a caminar en qüestió d’hores posa de manifest la dificultat de replicar artificialment aquest procés. "No hi ha ningú que entengui realment el seu funcionament", va dir Henshaw sobre els canvis neuronals requerits dels xais per adaptar contínuament la seva locomoció als canvis ràpids de massa corporal a mesura que creixen en ovelles. Un dels mètodes que està fent el seu equip per abordar aquesta estratègia és escriure un programari que els permeti canviar la manera com es generen les sortides MeRLIn.

Per separat, Henshaw forma part d’un altre projecte de desenvolupament d’un sistema d’aprenentatge d’inspiració biològica. Em va mostrar un vídeo d’una cama robòtica xutant una pilota a una petita porteria de futbol. Després de tres tirades programades, la cama xuta la pilota per 78 vegades més, escollint sistemàticament els seus propis objectius i fent un seguiment dels seus èxits i fracassos. Aprofitada i aplicada a un robot com MeRLIn, un codi com aquest facilitaria l'adaptació per si mateix d'un robot que camina per si mateix a diferents pesos de càrrega útil o longituds de la cama.

"Molts projectes tenen equacions que descriuen com optimitzar el centre de gravetat o el moviment mitjançant grans equacions matemàtiques en temps real", va dir Henshaw. "Funciona, però no és exactament biològic. No puc afirmar que l'algorisme que he escrit és precisament el que està passant al cervell, però sembla una cosa que ha de passar. Els humans aprenem a escalar arbres i a xutar. pilotes mitjançant la pràctica, no optimització numèrica ".

Henshaw ha afegit Henshaw, però l’aprenentatge profund i l’accés als coneixements recopilats augmentarien aquest procés, però, de nou, el maquinari no és prou robust o prou petit per adaptar-se a quelcom tan diminutiu com MeRLIn. "Si voleu aquests petits robots, no és tant el que hem de millorar els algorismes, sinó el maquinari que utilitzen", va dir. "En cas contrari, prendrà un ordinador massa gran, amb piles massa grans i no funcionarà".

Un mercat emergent

Les dreceres que proporciona la biologia per crear plataformes corporals innovadores i estratègies de locomoció també poden ajudar a fer més viables econòmicament els robots d’inspiració biològica. Choset no és l’únic acadèmic que ha iniciat una empresa per ajudar a avançar en aplicacions pràctiques per a les seves creacions; de fet, Eelume, fundada per la professora de robòtica de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Noruega, Kristin Ytterstad Pettersen, comercialitza actualment la seva pròpia serp de natació robòtica per a tasques d’exploració i inspecció submarina. I De i Kinneally van fundar Ghost Robotics, una empresa per comercialitzar Minitaur.

Les grans empreses privades també participen en el joc. Boston Engineering es troba en les etapes finals de les demostracions de camp amb el seu robot d’inspecció marina, batejat com a BioSwimmer. Aquest bot no s’inspira únicament en una tonyina, tot el seu cos exterior es basa en les exploracions d’un tonyó vermell de cinc peus de llarg que es va atrapar a prop de les oficines de l’empresa a Waltham, MA. Igual que amb una tonyina viva, la potència de propulsió s’origina a la cua, permetent que la meitat frontal del vehicle s’apilti amb sensors i càrregues útils. L’objectiu no era imitar una tonyina, sinó aprofitar l’eficàcia i l’alt rendiment de l’animal.

Mike Rufo, director del grup avançat de sistemes de Boston Engineering, va dir que els aspectes biològics del disseny no faciliten la seva construcció, però tampoc va afegir dificultats extres. Rufo afirma que la companyia va construir BioSwimmer (de cinc peus de llarg per 100 lliures) pel mateix cost que els projectes similars (al voltant d'1 milió de dòlars) i que tindrà un preu similar al d'altres vehicles de la seva mida. Però l'eficiència del moviment proporcionada per l'estratègia de propulsió inspirada en el tonyina li permet operar més temps en fonts d'energia estàndard.

"Hi ha uns quants obstacles tècnics que es troben al nostre camí, col·lectivament, amb robòtica bioinspirada", va dir Rufo. "Però la bioinspiració ofereix oportunitats per abordar-les directament o per millorar el rendiment d'una manera que mitiga l'impacte d'aquests reptes. Per exemple, malgrat alguns avenços reals en la tecnologia de bateries, estem en un altiplà de quanta potència podeu integrar en és una mida determinada. Però si podeu abordar l'eficiència d'un sistema, potser la bateria no us afectarà tant. És una zona on la bioinspiració té un gran paper. " Tot i així, creu que robots com aquests no seran habituals, en aplicacions de defensa o d’una altra manera, almenys durant els propers cinc o deu anys.

Independentment dels reptes monumentals que cal superar abans que no tinguem ajudants robòtics no tan esgarrifosos en la nostra vida quotidiana, s’han fet avenços immensos fins i tot en els darrers diversos anys per encapsular el que la biologia i l’evolució han deixat palès: la capacitat enlluernadora dels organismes. per adaptar-se i realitzar.

"A vegades sembla Sisyphean, sí", va dir Westneat. "Em fixo en aquests robots aquàtics i em semblen maldestres; però aleshores, estic acostumat a veure aquests animals gràfics nedant a través d'un escull de corall. Però no és massa indignant pensar que els enginyers i els biòlegs es puguin unir i crear. robots que llancen a l’aigua que neden per ells mateixos. Tot és emocionant."