Ingenieurs zijn het erover eens: de natuur maakt de beste robots

Mijn begeleiders en ik liepen vijf minuten lang door een omgebouwd pakhuis uit de Tweede Wereldoorlog, kronkelend door een doolhof van vage gangen en een spelonkbaai, vervolgens door een laboratorium vol skeletten van ruimtevaartuigen te midden van prototyping. We bereikten eindelijk de werkbank waar de marine aan het bouwen is… een robot eekhoorn.

"Eekhoorn" is een beetje lang, omdat de eerste volledig gebouwde versie van het Meso-schaal Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) 10 tot 20 pond weegt als het dit voorjaar klaar is - een monster van een knaagdier, naar ieders definitie. De robot in zijn huidige vorm bestaat uit een rechthoekig spruitstuk en de 10e iteratie van een poot met hondverbinding, gemonteerd op een glijdende aluminium steun. Een helderblauw 3D-geprint model in de buurt liet zien hoe het er uit zal zien als het compleet is: een machine zonder hoofd, vierbenig ter grootte van een Yorkshire-terriër.

Maar toen de ingenieurs van het project het aanzetten om me een demonstratie te geven, zag ik waarom ze MeRLIn als een eekhoorn noemen: ondanks zijn kleine motoren en hydraulisch aangedreven zuigers, kan het als een hel springen.

MeRLIn is slechts een van de recente robots die dieren te danken hebben voor hun inspiratie. Het dierenrijk is rijk aan voorbeelden van slimme detectie en beweging, en efficiëntie is koning in de batterij-aangedreven wereld met beperkte kracht van autonome robotica. Het vermogen om bijvoorbeeld de sprong van een kangoeroe te imiteren, zou een ideale wisselwerking tussen kracht en prestaties realiseren: de pezen in de formidabele achterpoten van deze buideldieren slaan energie op tussen elke stap, waardoor de dieren lange afstanden kunnen afleggen met relatief weinig energieverbruik.

Foto: US Naval Research

Biologie zit achter enkele van de meest innovatieve robotontwerpen die vandaag de dag opduiken: kijk naar Salto van UC Berkeley, geïnspireerd door de hoogspringende Afrikaanse bushbaby, of de mantabot van de Universiteit van Virginia, gemodelleerd naar stralen van de cownose van de Chesapeake Bay.

Het is gemakkelijk om te zien waarom. Biologisch geïnspireerde ontwerpen hebben duidelijke voordelen als het gaat om het uitvoeren van taken waarvoor de menselijke vorm slecht is aangepast. Van kleine vliegen tot diepzeevissen en zelfs microben (sommige brandstofcellen worden aangedreven door microbiële chemie), de natuur heeft geknutseld en geknoeid met ongelooflijk effectieve manieren om klussen te klaren. Miljoenen jaren van evolutie hebben dieren ongelooflijk effectief gemaakt in het werk dat ze doen - vliegen, springen, wandelen en zwemmen; voelen in onzichtbare spectra; en waarschijnlijk meer vaardigheden die we nog niet hebben ontdekt.

Maar verre van mechanische replica's van dieren, bevorderen de vandaag gebouwde bio-robots het doel om deze elegante biologische oplossingen te destilleren. De push nu is om te analyseren wat die strategieën zijn, ze in hun belangrijkste essenties te verdelen en ze te benutten voor onze eigen doeleinden. Terwijl wetenschappers en ingenieurs componenten bouwen die beter kunnen bewegen, blijven processoren die dieper kunnen denken, en sensoren die fijner kunnen detecteren, maar het allemaal samenvoegen tot een echt functioneel, massaproduceerbaar pakket blijft een ongrijpbare taak.

Vallen voor het lopen

Als MeRLIn er bekend uitziet, zou het moeten. Glen Henshaw, de hoofdonderzoeker van het project, zei dat zijn team geen flauw idee heeft van het feit dat MeRLIn is geïnspireerd door veel grotere en zwaardere voorouders die al een goede mate van internetfaam hebben gevonden, waaronder Boston Dynamics 'L3 en Big Dog en MIT's Jachtluipaard.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

De ingenieurs van het Navy Research Lab streven naar een kleinere, stillere en wendbaardere robot, een robot waarvoor geen twee jonge mariniers nodig zijn om hem op te zetten om mogelijke gevaren te onderzoeken. Maar het bouwen van MeRLIn is niet zo eenvoudig als het verkleinen van alle onderdelen om een ​​robot te maken die in de rugzak van een soldaat past. Het is ook een proces om te begrijpen hoe en waarom bepaalde gangen werken, waarom die gangen geschikt zijn voor variërend terrein en hoe een robot te bouwen die kan leren zich aan te passen en de juiste te kiezen.

Aangekomen op de bank van MeRLIn, voerde Controls Engineer Joe Hays verschillende testopdrachten in een computer in, waardoor het been van de robot trilde en schokte. Nadat hij zijn steunpoot had verwijderd, hield het enige been van MeRLIn zijn baksteengrote lichaam op eigen kracht, nu geladen met hydraulische vloeistof.

Even later, met een bliksem kramp, lanceerde het been merRLin bijna drie voet in de lucht, omhoog en terug naar de tafel geleid door zijn verticale metalen rail. De robot herhaalde deze oefening nog drie keer en raakte het plafond van zijn beschermende behuizing na een laatste, krachtige sprong, die zo zwaar landde dat zijn been instortte.

"Eerlijk gezegd weten we nog steeds niet veel over dierenbeweging, " zei Henshaw. "En we begrijpen het neuromusculaire systeem niet zo goed als we zouden willen. We proberen iets te bouwen zonder precies te weten hoe het zou moeten lopen."

Het team werkt nog steeds een paar problemen met de hydraulica uit, maar heeft goed succes gevonden met een adaptief algoritme dat onzekerheden in het circuit van de hardware opspoort en corrigeert met een snelheid van eenmaal per milliseconde. Ze verwachten dat het binnen enkele maanden van de grond naar een bureau probeert te springen.

Aan de Universiteit van Pennsylvania is de Minitaur van Avik De en Gavin Kenneally een andere recente superkleine, lichtgewicht viervoeter, gemaakt onder begeleiding van Dan Koditschek. Met een gewicht van nauwelijks 14 pond heeft hun kleine bot een innemende, begrenzende gang. Endearment verandert al snel in wonderen, wanneer je video's bekijkt van hun creatie die de trap op klautert, hekken beklimt en springt om een ​​deurklink te ontgrendelen.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De en Kenneally snijden het grootste deel van hun bot drastisch met behulp van vrij slingerende, direct aangedreven poten in plaats van traditionele tandwielpoten. De motoren fungeren als feedbacksensoren voor de software van de robot en detecteren en passen het koppel aan dat ze 1000 keer per seconde leveren. Het resultaat is een robot die zich langzaam of snel kan voortbewegen, trappen kan beklimmen, omhoog kan springen en een stel benen rond kan slingeren om een ​​deurklink te haken om deze te openen.

Hoewel het nog steeds verre van autonome, gebrek aan sensoren en besturingssystemen is die het vrije bereik toestaan, toont Minitaur's unieke, verstelbare pogo-stick actie aan dat behendigheid mogelijk is, zelfs zonder grote, krachtige aandrijfmechanismen. Het is ook gemaakt van in de handel verkrijgbare onderdelen.

"Het is duidelijk dat er voldoende motivatie is om benen te hebben, maar de huidige stand van de technologie is niet volwassen genoeg en onbetaalbaar, " zei De, ook verwijzend naar de Atlas-robot van Boston Dynamics - meer dan capabel, maar eigen en prijzig, dus niet gemakkelijk gerepliceerd. "We wilden een robot maken die toegankelijk was voor andere mensen, zodat ze konden proberen het platform voor hun eigen applicaties te implementeren."

Slithery-oplossingen

Naar eigen zeggen is Howie Choset bang voor slangen. Het is dan ook buitengewoon ironisch dat zijn bekendste werken het best kunnen worden omschreven als slangachtig.

Choset, universitair hoofddocent aan de Carnegie Mellon University in Pittsburgh, werkt al sinds hij een student was aan slangenrobots en heeft een hele reeks prestaties behaald. Hij runt het Robotics Institute van CMU - een laboratorium waar veel van de lopende creaties de herhalende lichaamssegmenten van slangen bevatten. Hij is ook redacteur van het onlangs debuteerde tijdschrift Science Robotics en heeft een studieboek geschreven over principes van robotbeweging.

En om het druk te houden, heeft hij ook twee bedrijven opgericht: Hebi Robotics en Medrobotics. Het geavanceerde endoscopische chirurgische hulpmiddel van laatstgenoemde, het Flex Robotic System, kreeg in 2015 FDA-goedkeuring voor gebruik. Hoewel Choset nu niet langer formeel verbonden is met Medrobotics, zei hij dat het kijken naar een live-operatie waarbij de robot werd gebruikt, het hoogtepunt van zijn professionele ervaring was.

Foto: Courtesy Howie Choset

Choset vraagt ​​zich af of de Flex door slangen is geïnspireerd; hij zei dat de slangachtige vorm van de robot werd ontworpen met de wendingen van de menselijke innerlijke ruimte in gedachten. Maar ander, meer recent werk omvat zeer zeker het kijken naar slangen en het modelleren van robots na hen, vooral door samenwerking met Dan Techman van Georgia Tech, een fysicus wiens onderzoek in de biomechanica heeft geleid tot de creatie van robots geïnspireerd door de beweging van krabben, zeeschildpadden, kakkerlakken, mudskippers en zandvissen.

Choset erkent ook de invloed van een van de oorspronkelijke pioniers van bio-geïnspireerde robotica, Robert Full, die het Poly-Pedal lab van UC Berkeley runt. Door te bestuderen hoe kakkerlakken bewegen en hoe gekko's verticale oppervlakken beklimmen, proberen Full, Choset en anderen deze geheimen samen te vatten in algemene ontwerpprincipes die op nieuwe manieren kunnen worden toegepast.

"Moeten we de biologie kopiëren? Nee. Vraag daar een bioloog aan, " zei Choset. "We willen de beste principes kiezen en van daaruit verder gaan."

Samen bestudeerden Choset en Goldman, samen met Joseph Mendelson, dierentuin Atlanta's, de beweging van zijwandslangen, die uiteindelijk hun scherp draaiende bewegingen karakteriseerden als een reeks van vormveranderende golven. Door die kennis toe te passen op de programmering voor zijn robotachtige slangen, kon het team van Choset ze klauteren over hopen zand, een voorheen onmogelijke taak. Inzicht in hoe slangen hun lichaamsvorm veranderen om zichzelf te verplaatsen, heeft Choset ook in staat gesteld om slangenrobots te bouwen die berichten en de binnenkant van de deurlatten kunnen sjouwen, iets dat hij beschouwt als bij uitstek nuttig voor het verkennen van gevaarlijke interieurs - bijvoorbeeld een kerncentrale of de ontoegankelijke grenzen van een archeologische vindplaats.

"Ik voel me nederig door het feit dat biologie zo complex is en slechts een klein beetje ervan kan hopen en in onze robots kan stoppen", zei Choset. "Maar we repliceren dieren niet in de beste mate en mogelijkheden die dieren hebben. Wat we willen is mechanismen en systemen bouwen met geweldige mogelijkheden."

Zijn beschrijving van zijn eigen vorderingen en de prestaties en ontdekkingen van zijn studenten als tamelijk serendipitair is ook van toepassing op hoe robots zoals deze in de wereld zullen verschijnen als ze volwassen worden. Langzaam, in kleine stappen, komt het onderzoek daarheen, zei hij.

"Evolutie is ook willekeurig, " beweerde Choset. "Er is geen enkel omslagpunt, alleen een reeks ontwikkelingen die, van buitenaf gezien, op een grote doorbraak lijkt."

Een kritische crossover

Over het algemeen kan van ingenieurs niet worden verwacht dat ze weten hoe biologie werkt, wat samenwerking tussen ingenieurs en biologen cruciaal maakt. Aan de Universiteit van Chicago leidde de studie van bioloog Mark Westneat naar wrasses, een klasse vis, tot een samenwerking met de marine, resulterend in een langzaam bewegende maar behendige onderwaterdrone die op zijn plaats kan blijven hangen. Bekend als WANDA (wat staat voor "Wrasse-geïnspireerde Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"), zullen drones zoals deze nuttig zijn voor inspecties van scheepsrompen, pieren en booreilanden.

High-speed fotografie stond bijna 20 jaar geleden centraal in de inspanning, toen Westneat voor het eerst begon met het uitvoeren van beeldstudies van de wrasses en voordat de marine geïnteresseerd raakte in het werk. In een stromingstank met een constante stroom, die Westneat een "loopband voor vissen" noemt, zwemmen wrasses gelukkig mee, met alleen hun borstvinnen om een ​​vaste positie in de tank te behouden, terwijl hogesnelheidscamera's elk detail van die beweging vastleggen op 1.000 beelden per seconde.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Gecombineerd met de zeer gedetailleerde kennis van de biologen van de anatomie van de vis - hoe zijn vinstralen hechten aan zijn spieren, hoe de zenuwuiteinden in vinmembranen stress en spanning doorgeven - maakt de fotografie een diepe kennis mogelijk van hoe precies de wrasses zich door het water voortstuwen met de draaiing en torsie van hun karakteristieke pinguïnachtige slag. Het vermogen van de wrasse om in wezen op zijn plaats te blijven zitten terwijl hij zijn lichaam nog steeds in stand houdt, zelfs in sterke of fluctuerende stromingen, maakt het een ideale soort om te modelleren voor een nieuw type wendbaar onderwatervoertuig, zei Jason Geder, een hoofdingenieur bij het WANDA-project bij NRL.

"Traditionele voertuigen met propeller of boegschroef hebben niet zo'n manoeuvreerbaarheid of hebben een te grote draaicirkel, " zei Geder. "Dit was een goede vis om te modelleren, want als we een stijve romp voor lading in het midden van het voertuig wilden hebben, zouden we vergelijkbare prestaties kunnen krijgen door alleen dit soort borstvinbeweging te gebruiken."

Westneat denkt dat nieuwere 3D-fotografische mogelijkheden het onderzoek nog verder kunnen bevorderen. "Voor de vis is het leven of dood, maar voor ons kan een beter begrip van efficiëntie een beter batterijvermogen betekenen, " zei Westneat. "We willen heel graag de onderliggende skeletstructuur en mechanische eigenschappen van de membranen nauwkeurig nabootsen en kijken of we een superhoge efficiëntie kunnen bereiken."

De biologische collecties van musea zijn een andere rijke en onderbenutte bron voor onderzoekers. Het Smithsonian heeft bijvoorbeeld alleen al in zijn collectie gewervelde dieren bijna 600.000 exemplaren, en Rolf Müller, Virginia Tech, heeft deze bedrijven aangetrokken voor zijn werk op door bat geïnspireerde drones. Met behulp van 3D-scans van vleermuisoren en neuzen van het Smithsonian heeft Mueller vergelijkbare structuren gemaakt voor zijn vliegende robot om hem te helpen feedback te rapporteren via zijn zip-line geleide testruns.

"Je hebt deze miljoenen exemplaren opgesteld in laden, waartoe je heel snel toegang hebt, " zei Müller. Hij is betrokken geweest bij de oprichting van een consortium van museumprofessionals en onderzoekers om collecties als deze in het hele land toegankelijker te maken voor bio-geïnspireerde vooruitgang.

En dan, ongeacht of de bron in een tank zwemt of in een opslaglade ligt, blijft het vertalen van die gegevens in een bruikbare vorm een ​​uitdaging. "Uw typische ingenieur wil specificaties, maar de bioloog geeft ze misschien anatomische tekeningen, " zei Westneat.

Pas toen hij zelf naar een aantal van deze technische gesprekken ging, besefte hij dat zijn werk mechanische gegevens kon leveren van de bewegingen van de vis die zich konden vertalen in motorvermogen en krachten, datanotechnici moeten een werkende machine produceren. "Dat zijn de dingen waarop natuurlijke selectie kan reageren, maar ze maken ook het verschil tussen het autonome voertuig dat al dan niet teruggaat naar het schip."

Terug naar school

Leren, geheugen en aanpassing zijn geheel andere uitdagingen. Terug in het omgebouwde magazijn van de marine houdt het MeRLIn-team zich nog steeds vooral bezig met de problemen van miniaturisatie. Maar ze beseffen maar al te goed dat de robot die ze voor ogen hebben niet compleet zou zijn zonder het vermogen om te leren, onthouden en zich aan te passen.

Henshaw, die thuis schapen grootbrengt als hij niet in het laboratorium is, zei dat het kijken naar pasgeboren lammeren van een vochtige hoop naar wandelen binnen een paar uur onderstreept de moeilijkheid van het kunstmatig repliceren van dat proces. "Er is niemand die echt begrijpt hoe het werkt, " zei Henshaw over de neurale veranderingen die vereist zijn voor lammeren om hun voortbeweging voortdurend aan te passen aan snelle veranderingen in lichaamsmassa als ze opgroeien tot schapen. Een van zijn benaderingen die zijn team neemt om die strategie aan te pakken, is software te schrijven waarmee ze de manier kunnen veranderen waarop MeRLIn-gangen worden gegenereerd.

Los daarvan maakt Henshaw deel uit van een ander project om een ​​biologisch geïnspireerd leersysteem te ontwikkelen. Hij liet me een video zien van een robotbeen dat een bal in een klein voetbaldoel schopt. Na drie geprogrammeerde schoppen trapt het been de bal nog 78 keer alleen, kiest systematisch zijn eigen doelen en houdt zijn successen en mislukkingen bij. Verder verfijnd en toegepast op een robot zoals MeRLIn, zou code zoals deze het voor een lopende robot gemakkelijker maken om zich bijvoorbeeld aan te passen aan verschillende laadgewichten of beenlengtes.

"Veel projecten hebben vergelijkingen die uitzoeken hoe het zwaartepunt of de beweging door middel van grote wiskundige vergelijkingen in realtime kan worden geoptimaliseerd, " zei Henshaw. "Het werkt, maar het is niet bepaald biologisch. Ik kan niet beweren dat het algoritme dat ik heb geschreven precies is wat er in de hersenen gebeurt, maar het lijkt iets dat er aan de hand is. Mensen leren in bomen te klimmen en te schoppen ballen door oefening, niet numerieke optimalisatie."

Diep leren en toegang tot verzamelde kennis zou dit proces waarschijnlijk versnellen, voegde Henshaw eraan toe, maar ook hier is de hardware nog niet robuust of klein genoeg om op zoiets kleins te passen als MeRLIn. "Als je deze kleine robots wilt, is het niet zozeer dat we de algoritmen moeten verbeteren, maar de hardware waarop ze draaien", zei hij. "Anders is er een computer nodig die te groot is, met batterijen die te groot zijn, en het werkt gewoon niet."

Een opkomende markt

De sneltoetsen die biologie biedt voor het creëren van innovatieve lichaamsplatforms en motoriekstrategieën kunnen ook helpen om biologisch geïnspireerde robots economisch rendabeler te maken. Choset is niet de enige academicus die een bedrijf is gestart om praktische toepassingen voor zijn creaties te helpen bevorderen; Eelume, opgericht door de Noorse universiteit voor wetenschap en technologie, professor Kristin Ytterstad Pettersen, verkoopt momenteel zijn eigen robotzwemslang voor exploratie- en inspectietaken onder water. En De en Kinneally hebben Ghost Robotics opgericht, een bedrijf dat Minitaur op de markt brengt.

Grote privébedrijven spelen ook mee. Boston Engineering bevindt zich in de eindfase van velddemonstraties met zijn scheepsinspectierobot, genaamd BioSwimmer. Deze bot is niet alleen geïnspireerd door een tonijn - zijn hele buitenlichaam is gebaseerd op scans van een vijf meter lange blauwvintonijn die werd gevangen in de buurt van de kantoren van het bedrijf in Waltham, MA. En net als bij een levende tonijn, ontstaat voortstuwingsvermogen in de staart, waardoor de voorste helft van het voertuig met sensoren en nuttige ladingen kan worden gestapeld. Het doel was echter niet om een ​​tonijn na te bootsen, maar om de efficiëntie en hoge prestaties van het dier te benutten.

Mike Rufo, directeur van de geavanceerde systeemgroep van Boston Engineering, zei dat de biologische aspecten van het ontwerp het bouwen niet eenvoudiger maakten, maar het leverde ook geen extra problemen op. Rufo beweert dat het bedrijf BioSwimmer (dat vijf voet lang en 100 pond is) heeft gebouwd voor ongeveer dezelfde kosten als vergelijkbare projecten - ongeveer $ 1 miljoen - en dat het vergelijkbaar zal worden geprijsd met andere voertuigen van zijn grootte. Maar dankzij de efficiëntie van de beweging die wordt geboden door de op tonijn geïnspireerde voortstuwingsstrategie kan het langer werken op standaard stroombronnen.

"Er zijn een paar technische hindernissen die ons gezamenlijk belemmeren met bio-geïnspireerde robotica, " zei Rufo. "Maar bioinspiratie biedt mogelijkheden om die rechtstreeks aan te pakken of om de prestaties te verbeteren op een manier die de impact van die uitdagingen vermindert. Bijvoorbeeld, ondanks enkele echt coole ontwikkelingen in batterijtechnologie, zijn we op een plateau van hoeveel vermogen u kunt integreren in iets van een gegeven grootte. Maar als je de efficiëntie van een systeem kunt aanpakken, dan heeft de batterij misschien niet zoveel invloed op je. Dat is een gebied waarop bioinspiratie een grote rol speelt. " Toch denkt hij dat robots als deze de komende vijf tot tien jaar niet alledaags zullen zijn, in defensietoepassingen of anderszins.

Ongeacht de monumentale uitdagingen die moeten worden overwonnen voordat we niet al te griezelige robotachtige helpers in ons dagelijks leven hebben, zijn er enorme vorderingen gemaakt, zelfs in de afgelopen jaren in de richting van het samenvatten van wat biologie en evolutie duidelijk hebben gemaakt: het oogverblindende vermogen van organismen aanpassen en uitvoeren.

"Het lijkt soms Sisyphean, ja, " zei Westneat. "Ik kijk naar deze waterrobots en ze lijken me onhandig; maar dan ben ik gewend om deze sierlijke dieren door een koraalrif te zien zwemmen. Maar het is niet zo schandalig om te denken dat de ingenieurs en biologen bij elkaar kunnen komen en creëren robots die je in het water gooit en vanzelf wegzwemt. Alles is opwindend."