Gamtos jėgos

Pakabintas ant bėgimo takelio Biomimetic Robotics Lab viduryje, geriausiai žinomas Sangbae Kim kūrinys laukia kito bandymo. Cheetah III yra jungčių, grandinių ir elektros variklių pluoštas. Kaip ir gyvūnas, turintis savo vardą, keturkojis botas sveria apie 90 svarų, yra greitas ir kompetentingas. Sukurtas peršokti kliūtis ir įveikti sudėtingą aplinką iki 3 metrų per sekundę arba 6,7 ​​mylių per valandą greičiu, „Cheetah III“ gali važiuoti beveik visur, kur tik žmogus gali nueiti su minimalia priežiūra, sako Kim.

Šiuo metu jai reikia apsaugos nuo paparacų, jei nieko kito. Nors jiems trūksta tokių bruožų kaip kailis ir ausys, „Cheetah“ robotai išlaiko žinduolių charizmą. Kai žmogus išeina – risnoja Masačusetso alėjoje arba šokinėja aplink MIT futbolo aikštę – paprastai pritraukia minią. 2014 m. Kim's Ice Bucket Challenge vaizdo įraše ankstesnis Cheetah modelis pavagia pasirodymą spardydamas kibirą. Laboratorijos nariai apklijavo 5-017 langus, kad galėtų atlikti darbą.

Kimas, mechanikos inžinerijos docentas, idėjų semiasi iš gamtos. Biologija veda mus link to, kas gali būti įmanoma, sako jis. Tai padėjo jam sukurti mašinas, kurios juda kaip vabzdžiai, driežai ir katės, jau nekalbant apie šimtus tūkstančių „YouTube“ peržiūrų. Bet jis nenori sustoti. Naujausias Kimo tyrimas remiasi ypač įkvepiančio gyvūno: žmogaus.

Kojos išradimas iš naujo
Biomimetinės robotikos laboratorijoje, esančioje 5 pastato rūsyje, Cheetah III yra apsuptas labiau pažįstamų mašinų. Kimo laboratorija veikia kaip nedidelė gamybos įmonė, kurioje yra 3D spausdintuvai, lazerinis pjaustytuvas, gręžimo presas ir CNC frezavimo staklės. Nors dauguma robotikos laboratorijų naudoja surenkamas dalis, Kim teikia pirmenybę „pasidaryk pats“ metodui. Iš esmės kuriame viską, ką turime, – sako jis.

Tai yra protinga, kai kuriate ir išbandote naujas mechanines rūšis: per sunkią pratybų dieną gepardas praeidavo per visą rinkinį poliuretano letenų pagalvėlių. (Dabar vietoj jų yra guminės.) Tačiau dar svarbiau, kad „pasidaryk pats“ metodas leidžia komandai pradėti nuo nulio, nevaržomai standartinėje aparatinėje įrangoje įdiegtų prielaidų. Tai, kaip jis juda, tikrai skiriasi nuo daugelio robotų, nes iš tikrųjų savo sistemą sukūrėme patys, sako Kim.

Dauguma „Cheetah“ bendraamžių yra optimizuoti gamykloms. Jie gamina robotus, kurie nuolat atlieka tas pačias užduotis, nesvarbu, ar tai būtų padėklo pakavimas, ar varžto įsukimas. Jie yra daug greitesni, tikslesni ir nuoseklesni nei žmonės, sako Kim. Tačiau jie iš tikrųjų nebendrauja su savo aplinka ar objektais, kaip mes.

Norėdamas pademonstruoti, Kimas atlieka klasikinį žmogaus veiksmą: paima nešiojamąjį kompiuterį nuo stalo. Jis yra karikatūriškai nerangus – jo dilbiai atsitrenkia į stalo paviršių, o rankos atsitrenkia į ekrano šonus, – bet ir žmogus, ir nešiojamasis kompiuteris lieka nepažeisti. Tada jis padeda jį atgal ir imituoja, kaip gamyklos robotas atliktų tą pačią užduotį. Šį kartą jis slysta rankomis labai susikaupęs, lėtėja eidamas. Kol jis iš tikrųjų pasiekia objektą, jis beveik nejuda.

Jūsų ėjimas yra milijoną kartų nuostabesnis nei reaktyvinių naikintuvų skraidymas.

Žmogus gali tiesiog paimti daiktus per sekundę ar greičiau, sako jis. Bet robotas? Jis turi būti lėtas, nes negali susidurti. Toks pat standumas, dėl kurio gamyklinis robotas yra pastovus, neleidžia jam saugiai sugerti smūgio pagamintos energijos. Vietoj to, ta energija ją sulaužo ar su kuo ji bando bendrauti. Šis apribojimas vargina mašinas, kurios nori, tarkime, vaikščioti: juk kiekvienas žingsnis yra susidūrimas, sako Kim. (Transporto priemonėms taip pat sunku susidoroti su žeme. Kaip pažymi Kimas, lėktuvai ir laivai plaukia oru ir jūra, bet mums teko išlyginti sausumos transportą keliais ir geležinkelio bėgiais.)

Pirmasis Sangbae Kim gepardo prototipas turėjo galvą, stuburą ir uodegą. Jis sako, kad naujausias bėga kaip gepardas, bet nebeatrodo kaip gyvūnas.

Kai žmonės bando sukurti vaikštančius ir bėgančius robotus, jie dažnai pradeda nuo tų pačių elementų kaip ir pramoniniuose robotuose. Pavyzdžiui, atėjus laikui pasirinkti pavarą – mašinos dalį, kuri energijos šaltinį paverčia judesiu – jie derės su hidrauliniu: stipriu ir tiksliu, bet labai standžiu ir nesugebančiu sugerti smūgių. Jie pastatys pavarą prie roboto klubo ir jėgos jutiklį prie pėdos. Kai robotas vaikšto, jėgos jutiklis nustato, kaip stipriai jis atsitrenkia į žemę, ir praneša pavarai, kuri atitinkamai prisitaiko.

Tačiau apskritai ši strategija neveikia labai gerai. Jūs jaučiate jėgą čia [pėdoje], bet jūsų pavara yra toli ir per lėta, aiškina Kim. Tarp jų yra gana daug masės ir dinamikos… tai nestabili. (Jis mėgsta šį tašką sumušti su superkutu iš 2015 m. DARPA Robotics Challenge, kurio metu daugybė brangių, įspūdingai atrodančių dvikojų robotų apvirsta kaip nuraminti terminatoriai.)

Taigi Kimas nusprendė pradėti iš naujo, kurdamas naujo tipo pavarą su skirtingais prioritetais. Jo pavara liesa ir menka – jos sukimo momentas didelis, todėl gali sukurti daug sukimosi jėgų, tačiau ją varo lengvas elektros variklis su minimalia sukimosi inercija, leidžiančia greitai pakeisti sukimosi greitį. Likusi gepardo kojos dalis sukurta taip, kad būtų kuo lengvesnė ir kuo mažesnės trinties, sako jis.

Kadangi koja yra liesa ir lengva, pavaros sukuriama jėga beveik nepasikeičia, kol ji patenka į pėdą, todėl jėgos jutiklis nebereikalingas. Tai suteikia gepardui greitesnius refleksus: jis gali pakeisti jėgos dydį maždaug 50 kartų greičiau nei robotai, kurie naudoja ir pavaras, ir jėgos jutiklius.

Nerangesniam robotui reikia visos duomenų grandinės, kad jis galėtų suprasti, kaip stipriai jo koja atsitrenkė į grindinį ir ką jis turėtų daryti toliau. Tačiau kai gepardas nusileidžia peršokęs kliūtį, kojos valdo reikiamas jėgas, kad susibalansuotų ir atsigautų iškart po susidūrimo su žeme, sako Kim. (Konstrukcija taip pat gali daug lengviau sugerti energiją – kai koja atsitrenkia į žemę, smūgio jėga keliauja atgal į koją ir į pavarą, įkrauna variklį, o ne jį sulaužo.)

Užuot jutęs jėgą, gepardas sutelkia dėmesį į tai, kur jis yra erdvėje. Sąnarių padėties jutikliai, akselerometrai ir giroskopai nuolat tiekia duomenis į algoritmų rinkinį, kuris padeda nustatyti, kada ir kaip stipriai kiekviena koja greičiausiai atsitrenks į žemę. Kai gepardo koja užlipa ant kažko netikėto – tarkime, uolos, dėl kurios jo kūnas pakrypsta – ši informacija padeda robotui nuspręsti, ar tęsti žingsnį, ar atsitraukti. Jei jis ryžtasi žengti žingsnį, įsijungia kitas algoritmas, kuris nuspėja, kiek jėgos reikia, kad objektas būtų įveiktas, arba kokios kompensacinės jėgos reikia norint sureguliuoti jo pusiausvyrą, jei jis stumdomas.

Šis prioritetų rinkinys leido gepardui daryti tai, ko dauguma kitų robotų negali, pavyzdžiui, risčia ir šokinėja. Jis taip pat labai efektyvus – energiją naudoja tik šiek tiek mažiau protingai nei tikrasis gepardas, todėl jis lenkia kitus robotus. Jis netgi gali manevruoti aplink savo aplinką be kamerų. Vienoje paryškinimo ritėje aklas Gepardas bėga per žvyro lopą, užlipa laiptais ir ne kartą pasiteisina, kai laboratorijos narys smeigia jį lazda. Kimas savo požiūrį vadina proprioceptyviu aktyvavimu pagal šeštąjį jausmą, kuris suteikia žmonėms supratimą apie mūsų kūno padėtį erdvėje.

Norint pasiekti tokį stabilumą, reikia paaukoti tam tikrą tikslumą – mes nuolat turime 10% arba 15% [jėgos valdymo] paklaidą, sako Kim. Nors tai gali nepatenkinti kai kurių inžinierių, gepardas yra toks lengvas ir sugeria energiją, kad paprastai gali toleruoti klaidų dažnį, net ir esant dideliam bėgimo ir šokinėjimo smūgiui.

Norint paversti gyvų būtybių elgesį mechaniniais terminais, reikia daugiasluoksnio mąstymo. Visi robotai yra labai susitelkę į savo nedidelę sritį – yra daug programinės įrangos grupių, kurios mano, kad viską galima išspręsti naudojant kodą, arba aparatinės įrangos grupių su aparatine įranga, sako vienas iš laboratorijos postdocs João Ramos, 18 m. daktaras. Sangbae turi integruotą vaizdą. Jei norite išspręsti problemą, turite galvoti apie tai koncepcijos, techninės įrangos ir programinės įrangos lygiu.

Šis paradigmos pokytis buvo įmanomas, nes esu mechanikos inžinierius, sutinka Kim. Aš galvoju apie standžių kūnų dinamiką, o ne [tik] rašymo programinę įrangą. Kelios įmonės, įskaitant Boston Dynamics, dabar naudoja jo pavaros dizainą ir savo robotų dalyse.

Kopti
Augdamas Seule, Pietų Korėjoje, Kimas įprato ieškoti naujų dalykų, gyvendamas mažoje erdvėje, neturinčioje daug išteklių ar dirbtuvių. Sukūriau daug dalykų, sako jis. Radau visus įmanomus būdus, kaip sukurti savo įrankius. Jis išardė buitinę techniką, kad pamatytų, ar galėtų juos sujungti. Kai jo draugai lenktyniavo su savo radijo bangomis valdomomis mašinomis, jis užsidengdavo pilvą ir mėtydavosi.

Būdamas Seulo Yonsei universiteto studentas, jis sukūrė tuo metu pigiausią pasaulyje 3D skaitytuvą. (Jis taip pat atliko savo privalomas pareigas Pietų Korėjos armijoje, o ši patirtis, pasak jo, sustiprino jo nepasitenkinimą biurokratija.) Jis prisijungė prie startuolio, kuris komercializavo skaitytuvą, bet netrukus po pirmojo prototipo sukūrimo suprato, kad jam labiau patinka išradimas, o ne koregavimas. ir nusprendė grįžti į akademinį pasaulį.

2002 m. atvykęs į Stenfordą studijuoti aukštojoje mokykloje, jis norėjo ir toliau dirbti su techninės įrangos projektavimu, tačiau suprato, kad daugelis užduočių, kurioms kažkada reikėjo tvarkyti judančias dalis, dabar atliekamos kompiuteriuose. Ko negali pakeisti elektronika? jis sako. Jei turite dirbti su tuo, kas fiziškai sąveikauja su aplinka, to negali pakeisti kodo dalis ar lustas... Štai kodėl aš įstojau į robotikos pasaulį.

Kim įstojo į Marko Cutkosky biomimetikos ir vikrių manipuliacijų laboratoriją Stanforde. Mane sužavėjo gyvūnų judėjimas, sako jis. Aš sutelkiau dėmesį į principą „O, tai kažkas gyvūnuose – pakartokime tai“. Jis dirbo prie voratinklio laipiojimo mašinos ir būrio tarakonų įkvėptų robotų, kurie galėjo veikti patys. Vėliau, būdamas postdoc Harvardo universitete, jis pastatė autonominį robotą slieką. (Jis juda suspausdamas savo segmentus, reaguodamas į elektros srovę, ir yra pakankamai minkštas, kad išgyventų užlipus.)

Tačiau pirmasis didelis jo laimėjimas buvo „Sticybot“ – robotas, galintis kaip gekonas išlyginti sienas. Kaip ir gepardo kojos, gekono pėdos vienu metu atlieka du sudėtingus dalykus: gali labai tvirtai prilipti prie sienos, bet taip pat gali labai greitai nuo jos atsiskirti. Jei galvojate apie laipiojimo kostiumo kūrimą – jei turite labai lipnias rankas, galite lipti per sieną, bet jei jūsų rankos tokios lipnios, negalite lipti. išjungti siena, sako Kim. Bet gekonai bėga.

Mini gepardas, mažesnis, saugesnis, judresnis gepardas, skirtas tyrimams ir švietimui. Duomenys renkami per jos pririšimą, o valdymo algoritmus galima keisti taip pat.

2006 m. Kellar Autumn, Lewis & Clark koledžo biologas, paskelbė dokumentą, kuriame tiksliai aprašoma, kaip gekonai tai valdo. Svarbiausia yra mažuose jų pėdų plaukeliuose, kurių struktūra prilimpa tik traukiant viena kryptimi. Kim panaudojo šį principą kurdamas „Sticybot“ ir klijus, kuriuos jis vadina „gecko tape“. Tai tikriausiai vis dar yra mano mėgstamiausias projektas mokslo požiūriu, sako jis. Sukūrėme naują medžiagą – naują koncepciją, kurios nebuvo, kol supratome gekoną.

2009 m. Kimas prisijungė prie MIT fakulteto ir ilgus metus dažnai susitikdavo su Rodney Brooks „Starbucks“, kad galėtų pasisemti idėjų. (Brooksas, buvęs CSAIL direktorius, 2008 m. nusprendė įkurti Rethink Robotics.) Jis galvoja plačiai, sako Brooksas, ir bando dalykus, kurie gali išgąsdinti kitus žmones. Brooksas primena, kad 2017 m. vykusioje „Amazon“ konferencijoje Kim nusprendė išsiaiškinti, kaip duoti „Cheetah“ kalbos komandas naudojant „Amazon Echo“. Kai kitą rytą pasirodė demonstracinė versija, jis pirmą kartą galėjo pasikalbėti su savo robotu, sako jis. Tai buvo drąsus žingsnis.

Kimas uždirbo kadenciją 2016 m., o kas antrus metus jis moko 2,74 (biologiškai įkvėpta robotika), už kurią studentai pagamino robotus, kurie siūbuoja kaip beždžionė arba šokinėja kaip kengūra. Jis taip pat kartu dėsto 2.007 (dizainas ir gamyba). Aukštos kokybės robotikos dizaino pamoka baigiasi teminiu konkursu, kuris visada sutraukia minią, o Kimas ir jo instruktorius Amosas Winteris, SM '05, PhD '11, apsirengia kostiumais. Praėjusiais metais Kim vaidino Willy Wonka. Daugelis aukšto lygio paskaitų, kurias jis skaitė, buvo apie tai, kaip pasisemti įkvėpimo iš gamtos, prisimena Selamas Gano '18, kuris 2017 m. lankė biomimetikos pamoką. Jis sakys tokius dalykus kaip: „Kai išeisite iš šios pamokos, noriu, kad Žiūrėk į savo ranką ir sakyk: Oho, tai neįtikėtina!“... Jis tikrai visus užkrečia tuo, kaip susijaudinęs.

Stumkite jį iki galo
Kartais tu nesupranti, kaip kažkas iš tikrųjų yra neįtikėtina, kol nustoja veikti. Pavyzdžiui, maždaug prieš 15 metų Kimui plyšo Achilo sausgyslė. Tai jį nuvilnijo: žinoma, tuo metu jis žaidė krepšinį, bet nieko įmantraus nedarė. Aš tik ėjau, sako jis. Buvo keista. Gydytojas paskyrė jį šešių mėnesių poilsiui ant sofos.

Kim, kuris nuo to laiko perėjo prie teniso, nėra poilsio ant sofos gerbėjas. Vis dėlto, jam ši patirtis buvo šviesi. Jūsų raumenys yra pakankamai stiprūs, kad visą laiką išplėštų sausgysles ir išnirtų sąnarius, sako jis. Mūsų nervų sistemos visada kruopščiai koreguoja jums reikalingos jėgos kiekį. Jo kūnas kažkaip tai apėjo ir jis peržengė savo ribas. Tačiau dažniausiai mes saugome save. Skirtingai nuo tų gremėzdiškų DARPA Challenge robotų, mums pavyksta turėti ir galią, ir valdymą.

Aš sutelkiau dėmesį į principą „O, tai kažkas gyvūnuose – pakartokime tai“.

Be to, kaip gekonai pleiskanoja sieną, mes tai darome net nesusimąstydami. Jūsų vaikščiojimas yra milijoną kartų nuostabesnis nei reaktyvinių naikintuvų skraidymas, - sako Kim, išskleisdamas mūsų pasąmonės įgūdžių sąrašą. Galime atidaryti duris neprarasdami pusiausvyros. Mes galime bėgioti gatve išsiblaškę. Mes galime valgyti pusryčius, kol tęsiame pokalbį, ir negalvojame: „O, aš perkelsiu šį mažą bulvių gumulėlį atgal į kairę dantų pusę, kad dantys galėtų jį sutraiškyti į tinkamo dydžio gabalėlį. ' jis sako. Per daug dalykų laikome savaime suprantamu dalyku!

Galbūt mums niekada neprireiks kramtančio roboto. Bet jei norime tokio, kuris puikiai išliktų vertikaliai, tai gali padėti išnaudoti savo sugebėjimus – kaip tai daro kitas Kimo projektas. HERMES (kuris reiškia labai efektyvius robotų mechanizmus ir elektromechaninę sistemą) yra dvikojis robotas, kuris naudoja tas pačias unikalias pavaras kaip ir gepardas. Tačiau užuot veikęs visiškai savarankiškai, jį valdo žmogus, naudodamas tai, ką Kim vadina balanso grįžtamojo ryšio sąsaja.

Norėdami valdyti HERMES, operatorius dėvi specialią judesio jutiklio liemenę ir stovi ant platformos su įtaisytais jėgos jutikliais. Stebėdami ir perduodami judesio duomenis abiem kryptimis laidais, liemenė ir platforma užmezga patirtinį ryšį tarp žmogaus ir roboto. Tarkime, kad HERMES turėtų atidaryti sunkias duris. Žmogaus operatorius atlieka stumdymo judesį, o robotas seka pavyzdžiu. Kai HERMES atsitrenkia į duris, žmogus pajunta smūgį ir atitinkamai sureguliuoja pusiausvyrą. HERMES atlieka tuos pačius reguliavimus ir apsaugo nuo apvirtimo. Algoritmai sureguliuoja atitinkamas jėgas, kad liemenę vilkintis žmogus galėtų valdyti mažesnį robotą arba keturkojį.

Tokiu būdu sistema leidžia tiek žmogui, tiek robotui panaudoti savo stipriąsias puses į situaciją, tuo pačiu sumažinant savo trūkumus. Žmonės yra protingi, gerai balansuoja ir puikiai manipuliuoja, bet mes gana trapūs. Robotai yra stiprūs ir kieti, tačiau jiems reikia daug krypties. Kimas nori sujungti šią technologiją su gepardu, vieną jo koją pakeisdamas proprioreceptine robotine ranka, su kuria dirba. Ranka sujungia žmogų su mašina subtilesniu mastu, leisdama operatoriui pajusti, kas vyksta, kai robotas sugriebia virvę arba suka durų rankeną.

Jis įsivaizduoja, kad pirmasis gelbėtojas naudoja šias priemones pavojingai vietai ištirti. Turite [VR] akinius ir galbūt balso komandą: „Gepardai, eik į 507 kambarį“, – sako jis. Gepardas greitai patenka ten, efektyviai judėdamas ir išvengdamas šiukšlių. Jis randa savo tikslą: O, yra dujų nuotėkis, ir jūs turite uždaryti šį vožtuvą. Tada robotas gali stovėti ant trijų kojų, kai žmogus manipuliuoja ketvirtąja koja, kuri taip pat veikia kaip roboto ranka, kad sureguliuotų vožtuvą.

Tai yra mano didžioji vizija: mobilumas žmogaus lygmeniu, dažniausiai savarankiškas, manipuliuojant daugiausia žmonių, sako Kim. Šie trys komponentai galiausiai leis mums tai padaryti. Kai galės, priduria jis, atsivers daugiau galimybių. Kimas gali pavaizduoti savo robotus pagyvenusių žmonių namuose, prireikus nuotoliniu būdu įjungiamus valdymo kambaryje esančio žmogaus: jie galėtų suteikti tiek pagalbos, tiek privatumo žmonėms, kuriems reikia pagalbos, bet vis tiek nori gyventi savarankiškai.

O gal jo robotai gepardai baigs pavojingą rankų darbą, vadovaujami kvalifikuotų darbuotojų, esančių saugiose vietose netoliese. Jis prognozuoja, kad po dvejų ar trejų metų „Cheetah III“ galės plaukioti radiacijos pripildytoje elektrinėje; po dešimtmečio jo įpėdinis turėtų sugebėti dirbti fiziškai sudėtingesnį darbą, pavyzdžiui, manipuliuoti šiukšlėmis. O po 15–20 metų, jo manymu, jis gali patekti į degantį pastatą ir išgelbėti žmones.

Tačiau Kim nustojo sutelkti dėmesį į kitų būtybių kopijavimą. Kai pirmą kartą įsivaizdavau, kad mano robotas laksto kaip gepardas, visada galvodavau apie šį gražų kūno lenkimą, sako jis. Tačiau jis greitai suprato, kad lankstus stuburas nepadarys jo boto geresnio jo darbo. Tas pats pasakytina ir apie kitas detales: pradžioje apžiūrėjau kiekvieną kaulo formą, trajektorijas ir pan., sako jis. Vis dar žiūriu į daugybę biologijos studijų, kad tikrai suprasčiau, kas vyksta. Tačiau jis jas traktuoja labiau kaip įkvėpimą, o ne instrukcijų knygeles: dabar aš sakau: „Gerai, keturios kojos yra gerai“.

paslėpti