Ingeniører er enige: naturen lager de beste robotene

Ledsagere og jeg gikk i fem solide minutter gjennom et ombygget lager fra 2. verdenskrig, og slynget meg gjennom en labyrint av svake korridorer og en kavernøs jernbanebukta, deretter gjennom et laboratorium fullt av romfartsskjeletter midt i prototypingen. Vi nådde til slutt arbeidsbenken der marinen bygger… et robotekorn.

"Ekorn" er litt av en strekk, da den første fullt utbygde versjonen av Meso-skalaen Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) vil veie 10 til 20 kilo når den er ferdig i vår - et monster av en gnager, etter noens definisjon. Roboten i sin nåværende form består av en rektangulær manifold og den 10. iterasjonen av et hundeledd ben, montert på en glidende aluminiumsstag. En lysblå 3D-printet modell i nærheten viste hvordan den vil se ut når den er komplett: en hodeløs, firbeint maskin omtrent på størrelse med en Yorkshire terrier.

Men da prosjektets ingeniører fyrte det opp for å gi meg en demonstrasjon, så jeg hvorfor de omtaler MeRLIn som et ekorn: Til tross for de bittesmå motorene og hydraulikkdrevne stemplene, kan det hoppe som faen.

MeRLIn er bare en av de siste robotene som har dyr å takke for inspirasjonen. Dyreriket har mange eksempler på smart sensing og bevegelse, og effektiviteten er konge i den batteridrevne, begrensede kraften i autonom robotikk. Evnen til å imitere et kenguruhopp, for eksempel, ville realisere en ideell avveining mellom kraft og ytelse: Senene i disse buksepotas formidable bakbenene lagrer energi mellom hvert skritt, og lar dyrene reise lange avstander med relativt lite energiutgifter.

Foto: US Naval Research

Biologi står bak noen av de mest innovative robotdesignene som dukker opp i dag: Se på UC Berkeleys Salto, inspirert av den høyhoppende afrikanske bushbabyen, eller University of Virginia's mantabot, modellert etter cownose-stråler fra Chesapeake Bay.

Det er lett å se hvorfor. Biologisk inspirerte design har klare fordeler når det gjelder å utføre oppgaver som menneskelig form er dårlig tilpasset for. Fra bittesmå fluer til dyphavsfisk og til og med mikrober (noen brenselceller er drevet av mikrobiell kjemi), har naturen pranget og finjustert utrolige effektive måter å få gjort jobber på. Millioner av år med evolusjon har gjort dyr utrolig effektive på jobbene de gjør - å fly, hoppe, gå og svømme; sanse i usynlige spektra; og sannsynligvis flere evner vi ennå ikke har oppdaget.

Men langt fra å være mekaniske kopier av dyr, fremmer biorobotene som bygges i dag, målet om å destillere disse elegante biologiske løsningene. Pressen nå er å analysere hva disse strategiene er, dele dem ned i sine viktigste essenser og utnytte dem til våre egne formål. Mens forskere og ingeniører bygger komponenter som kan bevege seg bedre, er prosessorer som kan tenke dypere, og sensorer som kan oppdage mer fint, men å sy alt sammen til en virkelig funksjonell, masseproduserbar pakke, er fortsatt en unnvikende oppgave.

Faller før du går

Hvis MeRLIn ser kjent ut - vel, det skal det. Glen Henshaw, leder etterforsker av prosjektet, sa at teamet hans ikke gjør noen bein om det faktum at MeRLIn er inspirert av mye større og tyngre forfedre som allerede har funnet et godt mål på internett-berømmelse, inkludert Boston Dynamics 'L3 og Big Dog og MIT's Cheetah.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Det ingeniørene fra Navy Research Lab sikter til er en mindre, roligere og mer smidig robot, en som ikke krever to stroppende unge marinesoldater for å sette den opp for å sjekke potensielle farer. Men å bygge MeRLIn er ikke så enkelt som bare å skalere ned alle delene for å lage en robot som kan passe inn i en soldats ryggsekk. Det er også en prosess for å forstå hvordan og hvorfor visse gangarter fungerer, hvorfor disse gangartene passer for varierende terreng, og hvordan man bygger en robot som kan lære å tilpasse seg og velge de riktige.

Da han ankom MeRLIns benk, la Controls Engineer Joe Hays inn flere testkommandoer til en datamaskin, noe som fikk robotens ben til å ryke og ryste. Etter at han fjernet støttestativet, holdt MeRLIns eneste bein opp sin mursteinstore kropp under egen kraft, nå ladet med hydraulisk væske.

Øyeblikk senere, med lynnedslag, lanserte benet merRLin nesten tre meter opp i luften, ført opp og tilbake til bordet ved sin vertikale metallskinne. Etter å ha gjentatt denne øvelsen tre ganger til, slo roboten taket på det beskyttende kabinettet etter ett siste kraftige hopp, og landet så kraftig at benet kollapset.

"Det er mye der vi fremdeles ikke vet om dyrs bevegelse, ærlig talt, " sa Henshaw. "Og vi forstår virkelig ikke det nevromuskulære systemet så godt som vi ønsker. Vi prøver å bygge noe uten å vite nøyaktig hvordan det skal gå."

Teamet jobber fremdeles med noen problemer med hydraulikken, men har funnet god suksess med en adaptiv algoritme som tester ut og korrigerer for usikkerhet i maskinvarekretsen med en hastighet en gang per millisekund. De forventer å få det til å prøve å hoppe fra bakken til et skrivebord i løpet av flere måneder.

Ved University of Pennsylvania er Avik De og Gavin Kenneallys Minitaur en nylig super-liten, lett firedoblet, opprettet under ledelse av Dan Koditschek. De veier knapt 14 kilo, og har den lille boten deres en bedårende, avgrensende gang. Kjærlighet viser seg imidlertid raskt å undre seg når du ser videoer av deres oppretting klatre opp trapper, klatre på gjerder og hoppe for å låse opp et dørhåndtak.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De og Kenneally kuttet drastisk mesteparten av boten sin ved å bruke frisvingende bein med direkte driv i stedet for tradisjonelle girdrevne ben. Motorene fungerer som tilbakemeldingssensorer til robotens programvare, og oppdager og justerer dreiemomentet de leverer 1000 ganger hvert sekund. Resultatet er en robot som kan binde seg sakte eller raskt, klatre opp trapper og hoppe opp og svinge et sett med bena rundt for å hekte et dørhåndtak for å åpne det.

Selv om det fremdeles er langt fra autonome, manglende sensorer og kontrollsystemer som vil tillate det fri rekkevidde, viser Minitaurs unike, justerbare pogo-stick-handling at smidighet er mulig selv uten store, kraftige drivmekanismer. Den er også laget av kommersielt tilgjengelige deler.

"Det er klart det er mye motivasjon for å ha ben, men den nåværende teknologitilstanden er ikke moden nok og uoverkommelig dyr, " sa De og refererte også til Boston Dynamics 'Atlas-robot - mer enn kapabel, men proprietær og kostbar, så ikke lett replikert. "Vi ønsket å lage en robot som var tilgjengelig for andre mennesker, slik at de kunne prøve å implementere plattformen for sine egne applikasjoner."

Slithery Solutions

Howie Choset er redd for slanger ved egen innrømmelse. Det er så fantastisk ironisk at hans mest kjente verk best kan beskrives som slangaktig.

Choset, førsteamanuensis ved Carnegie Mellon-universitetet i Pittsburgh, har jobbet med slange-roboter siden han var utdannet student, og han har utarbeidet en rekke prestasjoner. Han driver CMUs Robotics Institute - et laboratorium der mange av skapningene som er i gang, inneholder repeterende kroppssegmenter av slanger. Han er også redaktør for det nylig debuterte Science Robotics- tidsskriftet og har forfatter en lærebok om prinsipper for robotbevegelse.

Og bare for å være opptatt, har han også grunnlagt to selskaper: Hebi Robotics and Medrobotics. Sistnevnte avanserte endoskopiske kirurgiske verktøy, Flex Robotic System, fikk FDA-godkjenning i 2015 for bruk. Selv om Choset nå ikke lenger er formelt tilknyttet Medrobotics, sa han at å se en liveoperasjon der roboten ble brukt, var høydepunktet i hans yrkeserfaring.

Foto: Courtesy Howie Choset

Choset avviser om Flex var inspirert av slanger; han sa at robotens serpentinform var designet med vridninger av menneskets indre rom i tankene. Men annet, nyere arbeid har helt sikkert involvert å se på slanger og modellere roboter etter dem, spesielt gjennom samarbeid med Georgia Techs Dan Goldman, en fysiker hvis forskning innen biomekanikk har ført til skapelsen av roboter inspirert av bevegelse av krabber, havskilpadder, kakerlakker, mudskippere og sandfisk.

Choset erkjenner også innflytelsen fra en av de opprinnelige pionerene innen bioinspirert robotikk, Robert Full, som driver UC Berkeleys Poly-Pedal-lab. Ved å studere hvordan kakerlakker beveger seg og hvordan gekkoer klatrer på vertikale flater, prøver Full, Choset og andre å koke disse hemmelighetene ned i generelle designprinsipper som kan brukes på nye måter.

"Skal vi kopiere biologi? Nei. Be en biolog om det, " sa Choset. "Det vi ønsker er å cherry-plukke de beste prinsippene og gå derfra."

Sammen studerte Choset og Goldman sammen med Zoo Atlanta Atlanta Mendelson bevegelsen av sidevinderslanger, og karakteriserte til slutt deres skarpe svingbevegelser som en serie formforskyvende bølger. Ved å bruke denne kunnskapen til programmeringen av robotslangene, klarte Chosets team å få dem til å klatre over hauger med sand, en tidligere umulig oppgave. Å forstå hvordan slanger endrer kroppsfasong for å komme seg rundt, har også gjort det mulig for Choset å bygge slangeoboter som kan vikle opp stolper og innsiden av dørskiver, noe han ser for seg som særdeles nyttig for å utforske farlige interiører - si et atomkraftverk eller utilgjengelige grenser for et arkeologisk sted.

"Jeg er ydmyk av det faktum at biologi er så sammensatt og bare kan håpe å ta litt av det og legge det inn i robotene våre, " sa Choset. "Men vi kopierer ikke dyr til den fine graden og evnen som dyr har. Det vi ønsker er å bygge mekanismer og systemer som har gode evner."

Hans beskrivelse av egne fremskritt og studentenes prestasjoner og funn som ganske serendipitøs gjelder også for hvordan roboter som disse vil dukke opp i verden når de modnes. Sakte, i små trinn, kommer forskningen dit, sa han.

"Evolusjon er tilfeldig, " hevdet Choset. "Det er ingen tippepunkt, bare en sekvens av utviklingen som sett utenfra ser ut som et stort gjennombrudd."

Et kritisk crossover

I hovedsak kan ingeniører ikke forventes å vite hvordan biologi fungerer, noe som gjør samarbeid mellom ingeniører og biologer kritiske. Ved University of Chicago førte biolog Mark Westneat til studier av bras, en fiskeklasse, til et samarbeid med marinen, noe som resulterte i en sakte bevegelig, men smidig undervannsdrone som kan sveve på plass. Droner som disse, kjent som WANDA (som står for "Wrasse-inspirert Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"), vil droner som disse være nyttige for inspeksjoner av skipsskrog, brygger og oljerigger.

Høyhastighetsfotografering var sentral i innsatsen for snart 20 år siden, da Westneat først begynte å gjøre bildestudier av bråkene og før marinen ble interessert i arbeidet. I en strømningstank med konstant strøm, som Westneat kaller en "tredemølle for fisk", svømmer bråter lykkelig sammen og bruker bare brystfinner for å opprettholde en fast plassering i tanken mens høyhastighetskameraer fanger opp hver detalj i denne bevegelsen til 1000 bilder per sekund.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Kombinert med biologenes meget detaljerte kunnskap om fiskens anatomi - hvordan finnstrålene fester seg til musklene, hvordan nerveenderne i finnmembraner reléspenninger og spenninger - gir fotograferingen en dyp kunnskap om hvordan nøyaktig wrassene driver seg gjennom vannet med vridningen og vridningen av deres karakteristiske pingvinlignende klaffeslag. Vrakens evne til å sveve på plass mens den holder kroppen fortsatt i selv i sterke eller svingende strømmer, gjør den til en ideell art å modellere for en ny type smidig undervannskjøretøy, sa Jason Geder, en ledende ingeniør på WANDA-prosjektet ved NRL.

"Tradisjonelle propell- eller thrusterdrevne kjøretøyer har ikke den slags manøvrerbarhet eller har for høy svingradius, " sa Geder. "Dette var en god fisk å modellere, for hvis vi ønsket å ha et stivt skrog for nyttelast i midten av kjøretøyet, kunne vi oppnå lignende ytelser bare ved å bruke denne typen brystfinsbevegelse."

Westneat mener at nyere 3D-fotografisk evne kan fremme forskningen ytterligere. "For fisken er det liv eller død, men for oss kan en bedre forståelse av effektiviteten bety bedre batterikraft, " sa Westneat. "Vi vil virkelig like etterligne den underliggende skjelettstrukturen og de mekaniske egenskapene til membranene og se om vi kan få superhøy effektivitet."

Museers biologiske samlinger er en annen rik og underutnyttet ressurs for forskere. Smithsonian har for eksempel nesten 600 000 eksemplarer i ryggvirvelkolleksjonen alene, og Virginia Techs Rolf Müller har trukket på disse bedriftene for sitt arbeid med flaggermusinspirerte droner. Ved å bruke 3D-skanninger av flaggermusører og neser fra Smithsonian, har Mueller laget lignende strukturer for sin flygende robot for å hjelpe den med å rapportere tilbakemelding gjennom sine zip-line-guidede testkjøringer.

"Du har disse millionene eksemplarer stilt opp i skuffer, som du raskt kan få tilgang til, " sa Müller. Han har vært involvert i etableringen av et konsortium av museumsfolk og forskere for å gjøre samlinger som disse over hele landet mer tilgjengelige for bioinspirerte fremskritt.

Og uansett om kilden svømmer i en tank eller ligger i en oppbevaringsskuff, er det fortsatt en utfordring å oversette data til en nyttig form. "Din typiske ingeniør vil ha spesifikasjoner, men biologen kan gi dem anatomiske tegninger, " sa Westneat.

Det var ikke før han begynte å gå på noen av disse ingeniørsamtalene selv at han forsto at arbeidet hans kunne gi mekaniske data om fiskens bevegelser som kunne oversettes til motor og krefter, dataingeniører trenger å produsere en arbeidsmaskin. "Det er de tingene naturlig valg kan handle på, men de utgjør også forskjellen mellom det autonome kjøretøyet som gjør det tilbake til skipet eller ikke."

Tilbake til skolen

Læring, minne og tilpasning er helt andre utfordringer. Tilbake på Sjøforsvarets konverterte lager er MeRLIn-teamet fremdeles først og fremst engasjert i problemene med miniatyrisering. Men de er altfor klar over at roboten de ser for seg ikke ville være komplett uten evnen til å lære, huske og tilpasse seg.

Henshaw, som oppdretter sauer hjemme når han ikke er på laboratoriet, sa at å se nyfødte lam gå fra en fuktig haug til å gå i løpet av timer, og understreker vanskeligheten med å kunstig gjenskape den prosessen. "Det er ingen som virkelig forstår hvordan det fungerer, " sa Henshaw om de nevrale endringene som kreves av lam for kontinuerlig å tilpasse sin bevegelse til raske endringer i kroppsmasse når de vokser til sauer. Én tilnærming teamet hans tar for å adressere denne strategien, er å skrive programvare som lar dem endre måten MeRLIn-gangarter genereres.

Hver for seg er Henshaw del av et annet prosjekt for å utvikle et biologisk inspirert læringssystem. Han viste meg en video av et robotbein som sparket en ball i et lite fotballmål. Etter tre programmerte spark sparker beinet ballen på sine egne 78 ganger til, og velger systematisk sine egne mål og holder oversikt over suksessene og feilene. Videre foredlet og brukt på en robot som MeRLIn, vil kode som dette gjøre det lettere for en gående robot å tilpasse seg på egenhånd til forskjellige nyttelastvekter eller benlengder, for eksempel.

"Mange prosjekter har ligninger som finner ut hvordan man kan optimalisere tyngdepunktet eller bevegelsen gjennom store matematiske ligninger i sanntid, " sa Henshaw. "Det fungerer, men det er ikke akkurat biologisk. Jeg kan ikke påstå at algoritmen jeg har skrevet nettopp er hva som skjer i hjernen, men det virker som noe som må på gang. Mennesker lærer å klatre i trær og sparke baller gjennom praksis, ikke numerisk optimalisering."

Dyp læring og tilgang til innsamlet kunnskap ville sannsynligvis fremskynde denne prosessen, la Henshaw til, men der igjen, er maskinvaren ikke robust eller liten nok til å passe til noe så redusert som MeRLIn. "Hvis du vil ha disse små robotene, er det ikke så mye at vi må forbedre algoritmene, men maskinvaren de kjører på, " sa han. "Ellers kommer den til å ta en datamaskin som er for stor, med batterier som er for store, og den vil bare ikke fungere."

Et fremvoksende marked

Snarveiene som biologien gir for å lage innovative kroppsplattformer og bevegelsesstrategier kan også bidra til å gjøre biologisk inspirerte roboter mer økonomisk levedyktige. Choset er ikke den eneste akademikeren som har startet et selskap som hjelper til med å fremme praktiske applikasjoner for sine kreasjoner; faktisk markedsfører Eelume, grunnlagt av Norges teknisk-naturvitenskapelige og teknologiske robotikkprofessor Kristin Ytterstad Pettersen, sin egen svømmeslange for undersøks- og inspeksjonsoppgaver under vann. Og De og Kinneally grunnla Ghost Robotics, et selskap for å markedsføre Minitaur.

Store private selskaper kommer også inn på spillet. Boston Engineering er i sluttstadiene av å løpe feltdemonstrasjoner med sin marine-inspeksjonsrobot, kalt BioSwimmer. Denne boten er ikke bare inspirert av tunfisk - hele det ytre legeme er basert på skanninger av en fem fot lang blåfint tunfisk som ble fanget nær selskapets kontorer i Waltham, MA. Og som med et levende tunfisk, kommer fremdriftskraften i halen, slik at den fremre halvdelen av kjøretøyet kan stables med sensorer og nyttelast. Målet var ikke å etterligne et tunfisk, men å utnytte dyrets effektivitet og høye ytelse.

Mike Rufo, direktør for Boston Engineerings avanserte systemgruppe, sa at de biologiske aspektene ved designet ikke gjorde det lettere å bygge ut, men at det heller ikke ga ekstra vanskeligheter. Rufo hevder at selskapet bygde BioSwimmer (som er fem fot lang og 100 pund) for omtrent de samme kostnadene som lignende prosjekter - rundt 1 million dollar - og at det vil bli priset på samme måte som andre kjøretøyer i sin størrelse. Men bevegelseseffektiviteten som tilbys av den tunfiskinspirerte fremdriftsstrategien gjør at den kan operere lenger på standard kraftkilder.

"Det er noen få tekniske hinder som er i vår måte, samlet, med bioinspirert robotikk, " sa Rufo. "Men bioinspirasjon gir muligheter til å adressere dem direkte eller forbedre ytelsen på en måte som demper effekten av disse utfordringene. For eksempel, til tross for noen veldig kule fremskritt innen batteriteknologi, er vi på et platå hvor mye strøm du kan integrere i noe av en gitt størrelse. Men hvis du kan løse effektiviteten til et system, kan det hende at batteriet ikke påvirker deg så mye. Det er et område der bioinspirasjon spiller en stor rolle. " Likevel tror han roboter som disse ikke vil være vanlige, i forsvarsapplikasjoner eller på annen måte, i minst de neste fem til ti årene.

Uavhengig av de monumentale utfordringene som må overvinnes før vi ikke-for-skumle robothjelpere i hverdagen vår, er det gjort store fremskritt selv de siste årene mot å innkapsling av hva biologi og evolusjon har gjort klart: organisasjonenes blendende evne å tilpasse seg og utføre.

"Det virker sisifisk noen ganger, ja, " sa Westneat. "Jeg ser på disse vannlevende robotene, og de virker klumpete for meg; men så er jeg vant til å se disse grasiøse dyrene svømme gjennom et korallrev. Men det er ikke for opprørende å tenke at ingeniørene og biologene kan komme sammen og skape roboter som du kaster i vannet som svømmer av seg selv. Alt er spennende."