Ingeniører er enige om: naturen gør de bedste robotter

Mine ledsagere og jeg gik i fem solide minutter gennem et konverteret lager fra 2. verdenskrig, hvor jeg snoede sig gennem en labyrint af svage korridorer og en kavernøs jernbanebugt, derefter gennem et laboratorium fuldt af rumfartøjsskeletter midt i prototyperne. Vi nåede endelig til arbejdsbænken, hvor marinen bygger… en robot egern.

"Egern" er lidt af en strækning, da den første fuldt udbyggede version af Meso-skalaen Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) vil veje 10 til 20 pund, når den er færdig i foråret - et monster af en gnaver, efter nogens definition. Robotten i sin nuværende form består af en rektangulær manifold og den 10. gentagelse af et hundeforbundet ben monteret på en glidende aluminiumstiver. En lysblå 3D-printet model i nærheden viste, hvordan den vil se ud, når den er komplet: en hovedløs, firbenet maskine på størrelse med en Yorkshire terrier.

Men da projektets ingeniører fyrede det op for at give mig en demonstration, så jeg, hvorfor de omtaler MeRLIn som et egern: På trods af dets små motorer og hydraulikdrevne stempler, kan det hoppe som helvede.

MeRLIn er kun en af ​​de nylige robotter, der har dyr at takke for deres inspiration. Dyreriget er fyldt med eksempler på smart sensing og bevægelse, og effektiviteten er konge i den batteridrevne, begrænsede magt verden af ​​autonom robotik. Evnen til at efterligne et kænguruhopp, for eksempel, ville realisere en ideel afveksling mellem magt og ydeevne: Senerne i disse pungdyrs formidable bagben opbevarer energi mellem alle skridt, hvilket giver dyrene mulighed for at rejse lange afstande med relativt lidt energiudgifter.

Foto: US Naval Research

Biologi ligger bag nogle af de mest innovative robotkonstruktioner, der fremkommer i dag: Se på UC Berkeleys Salto, inspireret af den højspringende afrikanske bushbaby, eller University of Virginia's mantabot, modelleret efter cownosestråler fra Chesapeake-bugten.

Det er let at se hvorfor. Biologisk inspirerede design har klare fordele, når det gælder udførelse af opgaver, som den menneskelige form er dårligt tilpasset til. Fra små fluer til dybhavsfisk og endda mikrober (nogle brændselsceller er drevet af mikrobiel kemi), har naturen kløet og finjusteret utroligt effektive måder at få gjort job på. Millioner af år med evolution har gjort dyr utroligt effektive til de job, de udfører - at flyve, hoppe, gå og svømme; sansning i usynlige spektre; og sandsynligvis flere evner, som vi endnu ikke har opdaget.

Men langt fra at være mekaniske kopier af dyr, fremmer bioroboterne, der bygges i dag, målet om at destillere disse elegante biologiske løsninger. Skub nu er at analysere, hvad disse strategier er, dele dem ned i deres vigtigste essenser og udnytte dem til vores egne formål. Mens forskere og ingeniører bygger komponenter, der kan bevæge sig bedre, forbliver processorer, der kan tænke dybere, og sensorer, der kan opdage mere fint, men at sy det hele sammen til en virkelig funktionel, masseproducerbar pakke forbliver en undvigende opgave.

Faldt inden du går

Hvis MeRLIn ser velkendt ud - det skal det. Glen Henshaw, leder efterforsker af projektet, sagde, at hans team ikke skaber ben over det faktum, at MeRLIn er inspireret af meget større og tyngre forfædre, der allerede har fundet en god målestok med Internet-berømmelse, herunder Boston Dynamics 'L3 og Big Dog og MIT's Gepard.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Det Navy Research Lab-ingeniørerne sigter mod, er en mindre, mere støjsvag og mere smidig robot, en der ikke kræver to spændende unge marinesoldater for at indstille den til at tjekke potentielle farer. Men at opbygge MeRLIn er ikke så simpelt som blot at nedskalere alle dele for at fremstille en robot, der kan passe ind i en soldats rygsæk. Det er også en proces med at forstå, hvordan og hvorfor visse gangarter fungerer, hvorfor disse gangarter er passende til forskellige terræn, og hvordan man bygger en robot, der kan lære at tilpasse sig og vælge de rigtige.

Ved at ankomme til MeRLIn's bænk indsatte Controls Engineer Joe Hays adskillige testkommandoer til en computer, hvorved robotens ben rykkede og rykkede. Efter at han fjernede støttebenet, holdt MeRLIns eneste ben sin murstensstore krop op under sin egen kraft, nu ladet med hydraulisk væske.

Øjeblikke senere, med et lynnedslag, lancerede benet merRLin næsten tre meter i luften, ført op og tilbage til bordet ved sin lodrette metalskinne. Efter at have gentaget denne øvelse tre gange mere, ramte robotten loftet i dets beskyttende indkapsling efter et sidste kraftigt spring, hvor han landede så kraftigt, at benet kollapsede.

"Der er meget derude, som vi stadig ikke ved om dyrebevægelse, ærligt, " sagde Henshaw. "Og vi forstår virkelig ikke det neuromuskulære system så godt, som vi gerne vil. Vi prøver at opbygge noget uden at vide nøjagtigt, hvordan det skal gå."

Holdet arbejder stadig på nogle få flere problemer med hydraulikken, men har fundet en god succes med en adaptiv algoritme, der undersøger og korrigerer for usikkerheder i hardwarekredsløbet med en hastighed en gang pr. Millisekund. De forventer at få det til at prøve at hoppe fra jorden til et skrivebord inden for flere måneder.

På University of Pennsylvania er Avik De og Gavin Kenneally's Minitaur en ny nylig super-lille, letvægts firedoblet, skabt under ledelse af Dan Koditschek. Vægt knap 14 pund, har deres lille bot en bedårende, afgrænsende gang. Endearment viser sig dog hurtigt at undre sig, når du ser videoer af deres skabelse klatre op ad trapper, klatre på hegn og hoppe for at frigøre et dørhåndtag.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De og Kenneally skærer drastisk størstedelen af ​​deres bot ved at bruge frit svingende ben med direkte drev i stedet for traditionelle geardrevne ben. Motorerne fungerer som feedbacksensorer til robotens software og detekterer og justerer drejningsmomentet, de leverer 1.000 gange hvert sekund. Resultatet er en robot, der langsomt eller hurtigt kan bundes sammen, klatre op ad trappen og hoppe op og svinge et sæt ben rundt omkring for at hekte et dørhåndtag for at åbne det.

Selvom det stadig er langt fra autonome, manglende sensorer og kontrolsystemer, der tillader det fri rækkevidde, viser Minitaurs unikke, justerbare pogo-stick-handling, at smidighed er mulig, selv uden store, kraftige drivmekanismer. Det er også lavet af kommercielt tilgængelige dele.

"Det er klart, at der er masser af motivation for at have ben, men den aktuelle teknologitilstand er ikke moden nok og uoverkommeligt dyrt, " sagde De og henviste også til Boston Dynamics 'Atlas-robot - mere end kapabel, men proprietær og dyr, så ikke let replikeres. "Vi ønskede at lave en robot, der var tilgængelig for andre mennesker, så de kunne prøve at implementere platformen til deres egne applikationer."

Slithery Solutions

Efter hans egen indrømmelse er Howie Choset bange for slanger. Det er så vidunderligt ironisk, at hans bedst kendte værker bedst kan beskrives som snakelike.

Choset, lektor ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, har arbejdet med slange-robotter, siden han var kandidatstuderende, og han har fået en række præstationer. Han driver CMU's Robotics Institute - et laboratorium, hvor mange af de igangværende kreationer indeholder de gentagne kropssegmenter af slanger. Han er også redaktør for det nyligt debuterede Science Robotics- tidsskrift og har skrevet en lærebog om principper for robotbevægelse.

Og bare for at forblive travlt, har han også grundlagt to virksomheder: Hebi Robotics og Medrobotics. Sidstnævnte avancerede endoskopiske kirurgiske værktøj, Flex Robotic System, modtog FDA-godkendelse i 2015 til brug. Selvom Choset nu ikke længere formelt er tilknyttet Medrobotics, sagde han, at det at se en live operation, hvor roboten blev brugt, var højdepunktet i hans erhvervserfaring.

Foto: Courtesy Howie Choset

Choset afviser, om Flex var inspireret af slanger; sagde han, at robotens serpentinform var designet med det menneskelige indre rum i vendinger. Men andet, nyere arbejde har helt sikkert involveret kigge på slanger og modellering af robotter efter dem, især gennem samarbejde med Georgia Techs Dan Goldman, en fysiker, hvis forskning i biomekanik har ført til oprettelse af robotter inspireret af bevægelse af krabber, havskildpadder, kakerlakker, mudskippers og sandfisk.

Choset anerkender også indflydelsen fra en af ​​de originale pionerer inden for bioinspireret robotik, Robert Full, der driver UC Berkeleys Poly-Pedal-lab. Ved at studere, hvordan kakerlakker bevæger sig, og hvordan gekkoer klatrer i lodrette overflader, prøver Full, Choset og andre at koge disse hemmeligheder ned i generelle designprincipper, der kan anvendes på nye måder.

"Bør vi kopiere biologi? Nej. Spørg en biolog om det, " sagde Choset. "Det, vi ønsker, er at cherry-pick de bedste principper og gå derfra."

Sammen studerede Choset og Goldman sammen med Zoo Atlantas Joseph Mendelson bevægelsen af ​​sidevinderslanger, hvor de i sidste ende karakteriserede deres skarpe svingbevægelser som en række formskiftende bølger. Anvendelse af denne viden til programmeringen af ​​sine robotslanger var Chosets team i stand til at få dem til at klatre over hauger af sand, en tidligere umulig opgave. At forstå, hvordan slanger ændrer deres kropsform for at komme sig rundt, har også gjort det muligt for Choset at opbygge slange-robotter, der kan vride op stolper og indersiden af ​​dørskiver, noget han forestiller sig som yderst nyttigt til at udforske farlige interiører - f.eks. Et atomkraftværk eller utilgængelige begrænsninger af et arkæologisk sted.

"Jeg er ydmyg over det faktum, at biologi er så kompleks og kun kan håbe at tage lidt af det og sætte det i vores robotter, " sagde Choset. "Men vi kopierer ikke dyr til den fine grad og kapacitet, som dyr har. Det, vi ønsker, er at opbygge mekanismer og systemer, der har store muligheder."

Hans beskrivelse af hans egne fremskridt og sine studerendes resultater og opdagelser som temmelig serendipitøs gælder også for, hvordan robotter som disse vil dukke op i verden, når de modnes. Langsomt, i små trin, kommer forskningen dertil, sagde han.

”Evolution er også tilfældig, ” hævdede Choset. "Der er ingen vippepunkt, kun en række af udviklinger, der set udefra, ligner et stort gennembrud."

En kritisk crossover

I det væsentlige kan ingeniører ikke forventes at vide, hvordan biologi fungerer, hvilket gør samarbejde mellem ingeniører og biologer kritiske. Ved University of Chicago førte biolog Mark Westneat til undersøgelser af wrasse, en klasse fisk, til et samarbejde med marinen, hvilket resulterede i en langsomt bevægende, men smidig undervandsdrone, der kan svæve på plads. Kendt som WANDA (der står for "Wrasse-inspireret Agile Near-shore Deformable-fin Automaton") vil droner som disse være nyttige til inspektion af skibets skrog, moler og olierigge.

Højhastighedsfotografering var en central rolle i indsatsen for næsten 20 år siden, da Westneat først begyndte at lave billeddannelsesundersøgelser af vragene, og inden marinen blev interesseret i arbejdet. I en fremløbstank med konstant strøm, som Westneat kalder en "løbebånd for fisk", svømmer wrasser med glæde og bruger kun deres brystfinner til at opretholde en fast position i tanken, mens højhastighedskameraer fanger hver detalje i denne bevægelse på 1.000 billeder i sekundet.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Kombineret med biologernes meget detaljerede viden om fiskens anatomi - hvordan dens finnestråler binder sig til musklerne, hvordan nerveenderne i finnemembraner relæspændinger og spændinger - giver fotografiet en dyb viden om, hvordan nøjagtigt wrasserne driver sig gennem vandet med vridningen og vridningen af ​​deres karakteristiske pingvinlignende flappende slag. Wrasse's evne til i det væsentlige at svæve på plads, mens den holder sin krop stadig i selv i stærke eller svingende strømme, gør den til en ideel art at modellere til en ny type agile undervandsbiler, sagde Jason Geder, en ledende ingeniør på WANDA-projektet ved NRL.

"Traditionelle propeller- eller thrusterdrevne køretøjer har ikke den slags manøvreringsevne eller har for høj svingradius, " sagde Geder. "Dette var en god fisk at modellere, for hvis vi ville have et stift skrog til nyttelast i midten af ​​køretøjet, kunne vi opnå lignende ydelser bare ved hjælp af denne form for bærefinsbevægelse."

Westneat mener, at nyere 3D-fotografisk kapacitet kan fremme forskningen endnu mere. "For fiskene er det liv eller død, men for os kan en bedre forståelse af effektiviteten betyde bedre batterikraft, " sagde Westneat. "Vi vil virkelig gerne nøje efterligne membranernes underliggende skeletstruktur og mekaniske egenskaber og se, om vi kan få superhøj effektivitet."

Museers biologiske samlinger er en anden rig og underudnyttet ressource for forskere. Smithsonian har for eksempel næsten 600.000 eksemplarer alene i sin hvirveldyrssamling, og Virginia Techs Rolf Müller har trukket på disse bedrifter for sit arbejde med flagermusinspirerede droner. Ved hjælp af 3D-scanninger af flagermusører og næse fra Smithsonian har Mueller skabt lignende strukturer til sin flyvende robot for at hjælpe den med at rapportere feedback gennem dens zip-line-guidede testkørsler.

"Du har disse millioner eksemplarer oprettet i skuffer, som du hurtigt kan få adgang til, " sagde Müller. Han har været involveret i oprettelsen af ​​et konsortium af museumsfolk og forskere, der hjælper med at gøre samlinger som disse over hele landet mere tilgængelige for bioinspireret fremgang.

Og så, uanset om kilden svømmer i en tank eller ligger i en opbevaringsskuffe, er det stadig en udfordring at oversætte disse data til en nyttig form. "Din typiske ingeniør vil have specifikationer, men biologen overdrager dem muligvis anatomiske tegninger, " sagde Westneat.

Det var ikke før han selv begyndte at gå på nogle af disse tekniske samtaler, at han indså, at hans arbejde kunne give mekaniske data om fiskens bevægelser, der kunne omsættes til motorisk kraft og kræfter, dataingeniører har brug for at fremstille en arbejdsmaskine. "Det er de ting, som det naturlige valg kan handle på, men de udgør også forskellen mellem det autonome køretøj, der bringer det tilbage til skibet eller ej."

Tilbage til skolen

Læring, hukommelse og tilpasning er helt andre udfordringer. Tilbage på marinens konverterede lager er MeRLIn-teamet stadig primært beskæftiget med miniaturiseringsproblemerne. Men de er alt for opmærksomme på, at roboten, de forestiller sig, ikke ville være komplet uden evnen til at lære, huske og tilpasse sig.

Henshaw, der opdrætter får derhjemme, når han ikke er på laboratoriet, sagde, at det at se nyfødte lam gå fra en fugtig bunke til gåture i løbet af timer understreger vanskeligheden ved kunstigt at gentage denne proces. "Der er ingen, der virkelig forstår, hvordan det fungerer, " sagde Henshaw om de neurale ændringer, der kræves af lam til konstant at tilpasse deres bevægelse til hurtige kropsmasseændringer, når de vokser til får. En tilgang, hans team tager for at tackle denne strategi, er at skrive software, der giver dem mulighed for at ændre den måde, MeRLIn-gangarter genereres.

Separat er Henshaw en del af et andet projekt til udvikling af et biologisk inspireret læringssystem. Han viste mig en video af et robotben, der sparkede en bold i et lille fodboldmål. Efter tre programmerede spark sparker benet bolden på egen hånd 78 flere gange, systematisk vælger det sine egne mål og holder styr på dens succeser og fiaskoer. Yderligere forfinet og anvendt på en robot som MeRLIn, kode som denne ville gøre det lettere for en gående robot at tilpasse sig selv til forskellige nyttelastvægte eller benlængder, for eksempel.

"Mange projekter har ligninger, der finder ud af, hvordan man optimerer tyngdepunktet eller bevægelsen gennem store matematiske ligninger i realtid, " sagde Henshaw. "Det fungerer, men det er ikke nøjagtigt biologisk. Jeg kan ikke påstå, at den algoritme, jeg har skrevet, netop er, hvad der foregår i hjernen, men det ser ud som noget, der skal foregå. Mennesker lærer at klatre i træer og sparke bolde gennem praksis, ikke numerisk optimering."

Dyb indlæring og adgang til indsamlet viden ville sandsynligvis fremskynde denne proces, tilføjede Henshaw, men der igen er hardware ikke robust eller lille nok til at passe ind på noget så mindskeligt som MeRLIn. "Hvis du vil have disse små robotter, er det ikke så meget, at vi er nødt til at forbedre algoritmerne, men den hardware, de kører på, " sagde han. "Ellers tager den en computer, der er for stor, med batterier, der er for store, og den fungerer bare ikke."

Et fremvoksende marked

De genveje, som biologien giver til at skabe innovative kropsplatforme og bevægelsesstrategier, kan også hjælpe med at gøre biologisk inspirerede robotter mere økonomisk levedygtige. Choset er ikke den eneste akademiker, der har startet et firma, der hjælper med at fremme praktiske applikationer til sine kreationer; faktisk markedsfører Eelume, der er grundlagt af det norske universitet for videnskab og teknologi, robotikprofessor Kristin Ytterstad Pettersen, i øjeblikket sin egen svømmeslange til undersøge- og inspektionsopgaver under vand. Og De og Kinneally grundlagde Ghost Robotics, et firma til at markedsføre Minitaur.

Store private virksomheder kommer også ind på spillet. Boston Engineering er i slutfasen af ​​at løbe feltdemonstrationer med sin marine-inspektionsrobot, kaldet BioSwimmer. Denne bot er ikke kun inspireret af en tun - hele dens ydre krop er baseret på scanninger af en fem-fod lang almindelig tun, der blev fanget nær virksomhedens kontorer i Waltham, MA. Og som med en levende tun, kommer fremdrivningskraften i halen, så køretøjets forreste halvdel kan stables med sensorer og nyttelast. Målet var imidlertid ikke at efterligne en tun, men at udnytte dyrets effektivitet og høje ydeevne.

Mike Rufo, direktør for Boston Engineering's avancerede systemgruppe, sagde, at de biologiske aspekter af designet ikke gjorde det lettere at opbygge, men det tilføjede heller ikke ekstra vanskeligheder. Rufo hævder, at virksomheden har bygget BioSwimmer (som er fem meter lang og 100 pund) til omtrent de samme omkostninger som lignende projekter - omkring $ 1 million - og at det vil blive prissat på samme måde som andre køretøjer i dens størrelse. Men effektivitetsbevægelser leveret af den tuninspirerede fremdriftsstrategi gør det muligt for den at fungere længere på standard strømkilder.

"Der er et par tekniske forhindringer, der er i vores måde, samlet, med bioinspireret robotik, " sagde Rufo. "Men bioinspiration giver muligheder for at adressere dem direkte eller forbedre ydeevnen på en måde, der mindsker virkningen af ​​disse udfordringer. For eksempel, på trods af nogle virkelig seje fremskridt inden for batteriteknologi, er vi på et plateau med hvor meget strøm du kan integrere i noget af en given størrelse. Men hvis du kan tackle effektiviteten af ​​et system, er det måske, at batteriet ikke påvirker dig så meget. Det er et område, hvor bioinspiration spiller en stor rolle. " Stadigvis mener han, at robotter som disse ikke vil være almindelige, i forsvarsapplikationer eller på anden måde i mindst de næste fem til 10 år.

Uanset de monumentale udfordringer, der skal overvindes, før vi ikke-alt for uhyggelige robothjælpere i vores hverdag, er der gjort store fremskridt, selv i de sidste flere år mod indkapsling af, hvad biologi og evolution har gjort klart: organismenes blændende evne at tilpasse sig og udføre.

”Det ser til tider til at være sisifisk, ja, ” sagde Westneat. "Jeg ser på disse akvatiske robotter, og de virker klodsede for mig; men så er jeg vant til at se disse yndefulde dyr svømme gennem et koralrev. Men det er ikke for skandaløst at tro, at ingeniører og biologer kan mødes og skabe robotter, som du kaster i vandet, der svømmer af sig selv. Alt er spændende."