Insinyur setuju: alam membuat robot terbaik

Saya dan pengawalnya berjalan selama lima menit penuh melintasi gudang era Perang Dunia II yang dikonversi, berkelok-kelok melalui labirin koridor yang remang-remang dan teluk rel yang sangat besar, kemudian melalui laboratorium yang penuh dengan kerangka pesawat ruang angkasa di tengah pembuatan prototipe. Kami akhirnya mencapai meja kerja tempat Angkatan Laut membangun… seekor tupai robot.

"Squirrel" sedikit berlebihan, karena versi pertama sepenuhnya dibangun dari Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) skala Meso akan menimbang 10 hingga 20 pound ketika selesai musim semi ini - monster dari tikus, menurut definisi siapa pun. Robot dalam bentuk saat ini terdiri dari manifold persegi panjang dan iterasi ke-10 kaki anjing-bersendi, dipasang pada penyangga geser aluminium. Model cetak 3-D biru cerah di dekatnya menunjukkan bagaimana kelihatannya akan selesai: mesin tanpa kepala, berkaki empat seukuran terrier Yorkshire.

Tetapi ketika insinyur proyek menembakkannya untuk memberi saya demonstrasi, saya melihat mengapa mereka menyebut MeRLIn sebagai tupai: Meskipun motornya kecil dan piston yang digerakkan hidrolik, ia bisa melompat seperti neraka.

MeRLIn hanyalah salah satu robot terbaru yang memiliki hewan untuk berterima kasih atas inspirasi mereka. Kerajaan hewan penuh dengan contoh-contoh penginderaan dan pergerakan yang cerdas, dan efisiensi adalah raja dalam dunia robotika otonom yang digerakkan oleh baterai dan terbatas daya. Kemampuan untuk meniru lompatan kanguru, misalnya, akan mewujudkan tradeoff yang ideal antara kekuasaan dan kinerja: Tendon di kaki belakang marsupial yang tangguh ini menyimpan energi di antara setiap langkah, memungkinkan hewan untuk melakukan perjalanan jarak jauh dengan pengeluaran energi yang relatif sedikit.

Foto: Penelitian Angkatan Laut AS

Biologi berada di belakang beberapa desain robot paling inovatif yang muncul saat ini: Lihatlah Salto UC Berkeley, terinspirasi oleh bushbaby Afrika yang melompat tinggi, atau mantabot University of Virginia, dimodelkan dengan sinar cownose dari Chesapeake Bay.

Sangat mudah untuk melihat alasannya. Desain yang diilhami secara biologis memiliki keuntungan yang jelas dalam hal menyelesaikan tugas yang bentuk manusianya kurang diadaptasi. Dari lalat kecil hingga ikan di laut dalam dan bahkan mikroba (beberapa sel bahan bakar digerakkan oleh kimia mikroba), alam telah mengotak-atik dan men-tweak cara yang sangat efektif untuk menyelesaikan pekerjaan. Jutaan tahun evolusi telah membuat hewan sangat efektif dalam pekerjaan yang mereka lakukan - terbang, melompat, berjalan, dan berenang; merasakan dalam spektrum tak kasat mata; dan kemungkinan lebih banyak kemampuan yang belum kami temukan.

Tetapi jauh dari replika binatang secara mekanis, robot bio yang sedang dibangun saat ini memajukan tujuan untuk menyaring solusi biologis yang elegan ini. Dorongan sekarang adalah menguraikan strategi-strategi itu, menguraikannya menjadi esensi utama mereka, dan memanfaatkannya untuk tujuan kita sendiri. Sementara para ilmuwan dan insinyur sedang membangun komponen yang dapat bergerak lebih baik, prosesor yang dapat berpikir lebih dalam, dan sensor yang dapat mendeteksi dengan lebih halus, meskipun, menggabungkan semuanya menjadi paket fungsional yang diproduksi massal benar-benar tetap merupakan tugas yang sulit dipahami.

Jatuh Sebelum Berjalan

Jika MeRLIn terlihat familier - ya, seharusnya. Glen Henshaw, peneliti utama proyek tersebut, mengatakan timnya tidak membuat kesalahan tentang fakta bahwa MeRLIn terinspirasi oleh leluhur yang jauh lebih besar dan lebih berat yang telah menemukan ukuran yang baik dari ketenaran Internet, termasuk L3 dan Big Dog dari Boston Dynamics dan Big Dog serta MIT. Cheetah.

Foto: Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS / Victor Chen

Apa yang bertujuan oleh para insinyur Navy Research Lab adalah robot yang lebih kecil, lebih tenang, dan lebih gesit, yang tidak memerlukan dua marinir muda yang tegap untuk mengaturnya untuk memeriksa potensi bahaya. Tetapi membangun MeRLIn tidak sesederhana hanya mengurangi semua bagian untuk membuat robot yang dapat masuk ke dalam ransel prajurit. Ini juga merupakan proses untuk memahami bagaimana dan mengapa fungsi pengukur tertentu, mengapa pengukur itu sesuai untuk berbagai medan, dan bagaimana membangun robot yang dapat belajar beradaptasi dan memilih yang tepat.

Sesampainya di bangku MeRLIn, Controls Engineer Joe Hays memasukkan beberapa perintah uji ke komputer, membuat kaki robot tersentak dan tersentak. Setelah ia melepaskan penyangga pendukungnya, kaki tunggal MeRLIn mengangkat tubuhnya sebesar batu bata di bawah kekuatannya sendiri, sekarang diisi dengan cairan hidrolik.

Beberapa saat kemudian, dengan kejang petir, kaki meluncurkan merRLin hampir tiga kaki ke udara, dipandu ke atas dan kembali ke meja dengan pagar logam vertikal. Mengulangi latihan ini tiga kali lagi, robot menghantam langit-langit kandang pelindung setelah satu lompatan kuat dan terakhir, mendarat sangat keras hingga kakinya roboh.

"Ada banyak hal di luar sana yang masih belum kita ketahui tentang pergerakan hewan, " kata Henshaw. "Dan kita benar-benar tidak memahami sistem neuromuskuler sebaik yang kita inginkan. Kami mencoba membangun sesuatu tanpa tahu persis bagaimana seharusnya berjalan."

Tim masih mengerjakan beberapa masalah lagi dengan hidrolika tetapi telah menemukan keberhasilan yang baik dengan algoritma adaptif yang menyelidiki dan mengoreksi ketidakpastian di sirkuit perangkat keras pada tingkat sekali per milidetik. Mereka berharap untuk mencoba melompat dari tanah ke meja dalam beberapa bulan.

Di University of Pennsylvania, Avita De dan Gavin Kenneally's Minitaur adalah super kecil, empat kali lipat baru-baru ini, dibuat di bawah bimbingan Dan Koditschek. Beratnya hampir 14 pound, bot kecil mereka memiliki gaya berjalan yang menawan. Endearment dengan cepat berubah menjadi heran, ketika Anda menonton video ciptaan mereka memanjat tangga, memanjat pagar, dan melompat untuk membuka kunci pegangan pintu.

Foto: Robotika Hantu milik

De dan Kenneally secara drastis memotong sebagian besar bot mereka dengan menggunakan kaki penggerak langsung yang bebas-ayun alih-alih kaki yang digerakkan oleh gigi tradisional. Motor bertindak sebagai sensor umpan balik ke perangkat lunak robot, mendeteksi dan menyesuaikan torsi yang mereka berikan 1.000 kali setiap detik. Hasilnya adalah robot yang bisa terikat perlahan atau cepat, naik tangga, dan melompat dan mengayunkan satu set kaki di sekitar untuk mengaitkan pegangan pintu untuk membukanya.

Meskipun masih jauh dari otonom, tidak memiliki sensor dan sistem kontrol yang memungkinkan jangkauan bebas, aksi pogo-stick Minitaur yang unik menunjukkan bahwa kelincahan dimungkinkan bahkan tanpa mekanisme penggerak yang besar dan kuat. Itu juga dibuat dari bagian yang tersedia secara komersial.

"Jelas ada banyak motivasi untuk memiliki kaki, tetapi keadaan teknologi saat ini tidak cukup matang dan mahal, " kata De, merujuk juga ke robot Atlas Boston Dynamics - lebih dari mampu, tetapi eksklusif dan mahal, sehingga tidak mudah direplikasi, mengulangi. "Kami ingin membuat robot yang dapat diakses oleh orang lain sehingga mereka dapat mencoba mengimplementasikan platform untuk aplikasi mereka sendiri."

Solusi Slithery

Dengan pengakuannya sendiri, Howie Choset takut ular. Sangat ironis, kalau begitu, karya-karyanya yang paling terkenal bisa digambarkan seperti ular.

Choset, seorang associate professor di Carnegie Mellon University di Pittsburgh, telah bekerja dengan robot ular sejak dia masih mahasiswa, dan dia mendapatkan banyak prestasi. Dia menjalankan CMU's Robotics Institute - sebuah laboratorium tempat banyak kreasi yang sedang berlangsung menampilkan bagian tubuh ular yang berulang. Dia juga seorang editor jurnal Science Robotics yang baru saja debut dan telah menulis buku teks tentang prinsip-prinsip gerak robot.

Dan hanya untuk tetap sibuk, dia juga mendirikan dua perusahaan: Hebi Robotics dan Medrobotics. Alat bedah endoskopi canggih yang terakhir, Sistem Robot Flex, menerima persetujuan FDA pada tahun 2015 untuk digunakan. Meskipun Choset sekarang tidak lagi secara resmi berafiliasi dengan Medrobotics, ia mengatakan bahwa menonton operasi langsung di mana robot digunakan adalah titik tertinggi dari pengalaman profesionalnya.

Foto: Istimewa Howie Choset

Choset menentang apakah Flex terinspirasi oleh ular; katanya, bentuk ular robot itu dirancang dengan memelintir dan memutar ruang batin manusia dalam pikiran. Tapi yang lain, pekerjaan yang lebih baru melibatkan melihat ular dan robot pemodelan setelah mereka, terutama melalui kolaborasi dengan Georgia Tech Dan Goldman, seorang ahli fisika yang penelitiannya di bidang biomekanik telah menghasilkan penciptaan robot yang terinspirasi oleh pergerakan kepiting, penyu laut., kecoak, mudskippers dan sandfish.

Choset juga mengakui pengaruh salah satu pelopor asli robotika bio-terinspirasi, Robert Full, yang menjalankan laboratorium Poly-Pedal UC Berkeley. Dengan mempelajari bagaimana kecoak bergerak dan bagaimana tokek memanjat permukaan vertikal, Full, Choset, dan lainnya berusaha untuk merebus rahasia ini menjadi prinsip-prinsip desain umum yang dapat diterapkan dengan cara-cara baru.

"Haruskah kita menyalin biologi? Tidak. Tanyakan pada ahli biologi untuk itu, " kata Choset. "Yang kita inginkan adalah memilih prinsip-prinsip terbaik dan pergi dari sana."

Bersama-sama, Choset dan Goldman, bersama dengan Joseph Mendelson dari Zoo Atlanta, mempelajari pergerakan ular sidewinder, yang akhirnya menandai gerakan mereka yang berubah tajam sebagai serangkaian gelombang yang berubah bentuk. Menerapkan pengetahuan itu pada pemrograman ular-ular robotnya, tim Choset mampu membuat mereka memanjat gundukan pasir, tugas yang sebelumnya mustahil. Memahami bagaimana ular mengubah bentuk tubuh untuk menyiasatinya juga memungkinkan Choset membuat robot ular yang dapat menggulung tiang dan bagian dalam ambang pintu, sesuatu yang dia bayangkan sangat berguna untuk menjelajahi interior yang berbahaya - katakanlah, pembangkit listrik tenaga nuklir atau batas-batas yang tidak dapat diakses dari situs arkeologi.

"Saya merasa rendah hati dengan fakta bahwa biologi begitu kompleks dan hanya bisa berharap untuk mengambil sedikit dari itu dan memasukkannya ke dalam robot kita, " kata Choset. "Tapi kami tidak mereplikasi hewan ke tingkat dan kemampuan yang dimiliki hewan. Yang kami inginkan adalah membangun mekanisme dan sistem yang memiliki kemampuan hebat."

Deskripsi tentang kemajuannya sendiri dan prestasi serta penemuan siswanya sebagai kebetulan yang kebetulan juga berlaku pada bagaimana robot seperti ini akan muncul ke dunia ketika mereka dewasa. Perlahan, sedikit demi sedikit, penelitiannya sudah sampai, katanya.

"Evolusi juga serampangan, " Choset menegaskan. "Tidak ada satu titik kritis, hanya urutan perkembangan yang, dilihat dari luar, tampak seperti terobosan besar."

Crossover Kritis

Pada intinya, para insinyur tidak dapat diharapkan untuk mengetahui cara kerja biologi, yang membuat kolaborasi antara para insinyur dan ahli biologi menjadi penting. Di University of Chicago, penelitian biolog Mark Westneat mengenai ikan wrass, sebuah kelas ikan, mengarah pada kolaborasi dengan Angkatan Laut, menghasilkan drone bawah air yang bergerak lambat tapi gesit yang dapat mengambang di tempatnya. Dikenal sebagai WANDA (yang merupakan singkatan dari "Autileon sirip Agile Near-shore deformable-fin Automaton"), drone seperti ini akan berguna untuk inspeksi lambung kapal, dermaga dan rig minyak.

Fotografi berkecepatan tinggi sangat penting bagi upaya ini hampir 20 tahun yang lalu, ketika Westneat pertama kali mulai melakukan studi pencitraan wrasses dan sebelum Angkatan Laut tertarik pada pekerjaan tersebut. Dalam tangki aliran dengan arus konstan, yang oleh Westneat disebut "treadmill untuk ikan, " berenang dengan gembira, hanya menggunakan sirip dada mereka untuk mempertahankan posisi tetap di dalam tangki sementara kamera berkecepatan tinggi menangkap setiap detail gerakan pada 1.000 Bingkai per detik.

Foto: Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS / Victor Chen

Dikombinasikan dengan pengetahuan ahli biologi yang sangat terperinci tentang anatomi ikan - bagaimana siripnya melekat pada otot-ototnya, bagaimana ujung saraf pada membran sirip menyampaikan tekanan dan ketegangan - fotografi memungkinkan pengetahuan yang mendalam tentang bagaimana persisnya ikan wesel mendorong diri mereka sendiri melalui air. dengan memutar dan puntir dari pukulan kepakan seperti penguin karakteristik mereka. Kemampuan wrasse untuk melayang pada dasarnya di tempat sambil menjaga tubuhnya tetap di bahkan dalam arus yang kuat atau berfluktuasi membuatnya menjadi spesies yang ideal untuk model untuk jenis baru kendaraan bawah air tangkas, kata Jason Geder, seorang insinyur utama pada proyek WANDA di NRL.

"Kendaraan tradisional yang digerakkan baling-baling atau pendorong tidak memiliki kemampuan manuver seperti itu atau memiliki radius belokan terlalu tinggi, " kata Geder. "Ini adalah ikan yang bagus untuk dimodelkan, karena jika kita ingin memiliki lambung kaku untuk muatan di pusat kendaraan, kita bisa mendapatkan kinerja yang sama hanya dengan menggunakan gerakan sirip dada semacam ini."

Westneat berpikir bahwa kemampuan fotografi 3D yang lebih baru dapat memajukan penelitian lebih jauh. "Untuk ikan, ini hidup atau mati, tetapi bagi kami, pemahaman yang lebih baik tentang efisiensi dapat berarti daya baterai yang lebih baik, " kata Westneat. "Kami benar-benar ingin meniru struktur kerangka yang mendasari dan sifat mekanik membran dan melihat apakah kami bisa mendapatkan efisiensi super tinggi."

Koleksi biologis museum adalah sumber daya lain yang kaya dan kurang dimanfaatkan oleh para peneliti. Smithsonian, misalnya, memiliki hampir 600.000 spesimen dalam koleksi vertebrata saja, dan Rolf Müller dari Virginia Tech telah memanfaatkan kepemilikan ini untuk karyanya pada drone yang terinspirasi oleh kelelawar. Menggunakan pemindaian 3D telinga dan hidung kelelawar dari Smithsonian, Mueller telah menciptakan struktur serupa untuk robot terbangnya untuk membantunya melaporkan umpan balik melalui uji coba yang dipandu garis zip.

"Anda memiliki jutaan spesimen yang berjejer di laci, yang dapat Anda akses dengan sangat cepat, " kata Müller. Dia telah terlibat dalam pembuatan konsorsium profesional museum dan peneliti untuk membantu membuat koleksi seperti ini di seluruh negeri lebih mudah diakses untuk kemajuan yang terinspirasi bio.

Dan kemudian, tidak peduli apakah sumbernya berenang di tangki atau berbaring di laci penyimpanan, menerjemahkan data ke dalam bentuk yang bermanfaat tetap menjadi tantangan. "Insinyur tipikal Anda menginginkan spesifikasi, tetapi ahli biologi mungkin akan memberikan gambar anatomi, " kata Westneat.

Tidak sampai ia mulai pergi ke beberapa pembicaraan teknik sendiri bahwa ia menyadari pekerjaannya dapat memberikan data mekanis dari pergerakan ikan yang dapat diterjemahkan menjadi tenaga dan kekuatan motor, insinyur data perlu menghasilkan mesin yang berfungsi. "Itu adalah hal-hal yang dapat ditindaklanjuti oleh seleksi alam, tetapi mereka juga membuat perbedaan antara kendaraan otonom yang membuatnya kembali ke kapal atau tidak."

Kembali ke sekolah

Belajar, ingatan, dan adaptasi adalah tantangan lain sepenuhnya. Kembali di gudang Angkatan Laut yang dikonversi, tim MeRLIn terutama masih terlibat dengan masalah miniaturisasi. Tetapi mereka semua terlalu sadar bahwa robot yang mereka bayangkan tidak akan lengkap tanpa kemampuan untuk belajar, mengingat, dan beradaptasi.

Henshaw, yang memelihara domba di rumah ketika dia tidak ada di laboratorium, mengatakan melihat domba yang baru lahir beralih dari tumpukan lembab menjadi berjalan dalam hitungan jam menggarisbawahi kesulitan artifisial mereplikasi proses itu. "Tidak ada orang yang benar-benar mengerti cara kerjanya, " kata Henshaw tentang perubahan saraf yang diperlukan domba untuk terus menyesuaikan gerak mereka dengan perubahan massa tubuh yang cepat saat mereka tumbuh menjadi domba. Salah satu pendekatan yang diambil timnya untuk mengatasi strategi itu adalah menulis perangkat lunak yang memungkinkan mereka mengubah cara pengukuran MeRLIn dihasilkan.

Secara terpisah, Henshaw adalah bagian dari proyek lain untuk mengembangkan sistem pembelajaran yang diilhami secara biologis. Dia menunjukkan kepada saya video kaki robot menendang bola ke gawang sepak bola kecil. Setelah tiga tendangan yang diprogram, kaki menendang bola dengan sendirinya 78 kali lebih banyak, secara sistematis memilih targetnya sendiri dan melacak keberhasilan dan kegagalannya. Lebih lanjut disempurnakan dan diterapkan pada robot seperti MeRLIn, kode seperti ini akan membuatnya lebih mudah bagi robot berjalan untuk beradaptasi sendiri dengan bobot muatan yang berbeda atau panjang kaki, misalnya.

"Banyak proyek memiliki persamaan yang mencari cara untuk mengoptimalkan pusat gravitasi atau gerak melalui persamaan matematika besar secara real time, " kata Henshaw. "Ini bekerja, tapi itu bukan biologis. Saya tidak bisa mengklaim bahwa algoritma yang saya tulis adalah persis apa yang terjadi di otak, tetapi sepertinya sesuatu yang harus terjadi. Manusia belajar memanjat pohon dan menendang bola melalui latihan, bukan optimasi numerik."

Pembelajaran yang mendalam dan akses ke pengetahuan yang dikumpulkan mungkin akan mempercepat proses ini, Henshaw menambahkan, tetapi di sana lagi, perangkat kerasnya tidak kuat atau cukup kecil untuk masuk ke sesuatu yang sekecil MeRLIn. "Jika Anda menginginkan robot-robot kecil ini, bukan berarti kami harus meningkatkan algoritme tetapi perangkat keras yang digunakan, " katanya. "Kalau tidak, itu akan mengambil komputer yang terlalu besar, dengan baterai yang terlalu besar, dan itu tidak akan berhasil."

Pasar Berkembang

Pintasan yang disediakan biologi untuk menciptakan platform tubuh yang inovatif dan strategi penggerak juga dapat membantu membuat robot yang terinspirasi secara biologis lebih layak secara ekonomis. Choset bukan satu-satunya akademisi yang telah memulai perusahaan untuk membantu memajukan aplikasi praktis untuk kreasinya; sebenarnya, Eelume, yang didirikan oleh profesor robotika Universitas Sains dan Teknologi Norwegia Kristin Ytterstad Pettersen, saat ini memasarkan ular renang robotnya sendiri untuk eksplorasi bawah laut dan tugas-tugas inspeksi. Dan De dan Kinneally mendirikan Ghost Robotics, sebuah perusahaan untuk memasarkan Minitaur.

Perusahaan swasta besar juga ikut bermain. Boston Engineering sedang dalam tahap akhir menjalankan demonstrasi lapangan dengan robot inspeksi kelautannya, dijuluki BioSwimmer. Bot ini tidak hanya terinspirasi oleh seekor tuna - seluruh bagian luar tubuhnya didasarkan pada pemindaian terhadap tuna sirip biru sepanjang lima kaki yang ditangkap di dekat kantor perusahaan di Waltham, MA. Dan seperti halnya tuna yang hidup, tenaga pendorong berasal dari ekor, memungkinkan bagian depan kendaraan ditumpuk dengan sensor dan muatan. Tujuannya bukan untuk meniru seekor tuna, tetapi untuk memanfaatkan efisiensi dan kinerja tinggi hewan itu.

Mike Rufo, direktur kelompok sistem canggih Boston Engineering, mengatakan aspek biologis dari desain tidak membuatnya lebih mudah untuk dibuat, tetapi juga tidak menambah kesulitan tambahan. Rufo mengklaim perusahaan itu membangun BioSwimmer (yang panjangnya lima kaki dan 100 pound) dengan biaya yang sama dengan proyek serupa - sekitar $ 1 juta - dan harganya akan sama dengan kendaraan lain seukuran itu. Tetapi efisiensi gerak yang disediakan oleh strategi propulsi yang diilhami tuna memungkinkannya beroperasi lebih lama pada sumber daya standar.

"Ada beberapa kendala teknis yang menghalangi kita, secara kolektif, dengan robot bioinspired, " kata Rufo. "Tetapi bioinspirasi menawarkan peluang untuk mengatasi hal itu secara langsung atau untuk meningkatkan kinerja dengan cara yang mengurangi dampak tantangan tersebut. Misalnya, meskipun ada beberapa kemajuan yang sangat keren dalam teknologi baterai, kami berada di dataran tinggi tentang seberapa banyak daya yang dapat Anda integrasikan ke dalam sesuatu dengan ukuran tertentu. Tetapi jika Anda dapat mengatasi efisiensi suatu sistem, maka mungkin baterainya tidak terlalu memengaruhi Anda. Itulah satu bidang di mana bioinspirasi memainkan peran besar. " Meski begitu, dia berpikir robot seperti ini tidak akan menjadi hal biasa, dalam aplikasi pertahanan atau sebaliknya, setidaknya untuk lima hingga 10 tahun ke depan.

Terlepas dari tantangan monumental yang harus diatasi sebelum kita memiliki pembantu robot yang tidak terlalu menyeramkan dalam kehidupan kita sehari-hari, langkah besar telah dibuat bahkan dalam beberapa tahun terakhir untuk merangkum apa yang telah dijelaskan oleh biologi dan evolusi: kemampuan organisme yang menyilaukan: untuk beradaptasi dan tampil.

"Kadang-kadang sepertinya Sisyphean, ya, " kata Westneat. "Saya melihat robot-robot air ini, dan mereka tampak kikuk bagi saya; tetapi kemudian, saya terbiasa melihat hewan-hewan anggun ini berenang melalui terumbu karang. Tetapi tidak terlalu keterlaluan untuk berpikir bahwa para insinyur dan ahli biologi dapat berkumpul dan menciptakan robot yang Anda lemparkan ke air yang berenang sendiri. Semuanya menyenangkan."