Roboty biegnące w ten sposób

Na alei serwisowej toru wyścigowego Homestead-Miami na Florydzie, na torze, na którym samochody wyścigowe czasami jeżdżą z prędkością ponad 300 kilometrów na godzinę, niewielki tłum obserwuje coś znacznie wolniejszego, ale prawdopodobnie o wiele bardziej imponującego. W słoneczny sobotni poranek tuż przed Bożym Narodzeniem robot, który z grubsza przypomina dużą osobę, kontempluje prowizoryczne drzwi na asfalcie przed nimi. Przygląda się drzwiom za pomocą skanera laserowego i pary kamer w głowie; potem, po dłuższej przerwie, robot wysuwa lśniące aluminiowe ramię, otwiera drzwi i powoli przechodzi przez nie.

Robot o nazwie Atlas i wyprodukowany przez Boston Dynamics bierze udział w konkursie DARPA Robotics Contest, organizowanym przez amerykańską Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony. W weekend roboty o różnym kształcie i konstrukcji, sterowane zdalnie, podejmują wyzwania mające na celu przetestowanie granic sztucznego wykrywania, manipulacji i zwinności. Każde zadanie jest inspirowane pracą, która może pomóc w zatamowaniu wycieku z uszkodzonej elektrowni jądrowej. Prace pozornie proste, ale nie dla robotów. W jednym maszyny muszą przejść przez kupę gruzu; w innym muszą wspinać się po wysokiej drabinie.

Wiele robotów zmaga się z wykonywaniem zadań bez wadliwego działania, zamrażania lub przewracania się. Ze wszystkich stojących przed nimi wyzwań, jednym z najtrudniejszych i potencjalnie najważniejszych do opanowania jest po prostu chodzenie po nierównym, niestabilnym lub po prostu zagraconym terenie. Ale roboty Atlas (kilka grup akademickich wprowadziło wersje maszyny Boston Dynamics) poruszają się po takim terenie z imponującą pewnością siebie.

Kilka razy dziennie tłum może zobaczyć dwa inne roboty na nogach wyprodukowane przez Boston Dynamics. W jednym pokazie czworonożna maszyna wielkości konia kłusuje po torze, niosąc kilka dużych paczek; sprytnie tasuje nogami, aby pozostać w pozycji pionowej, gdy chwilowo traci równowagę przez mocne kopnięcie operatora. W innym, mniejsza, bardziej zwinna czworonożna maszyna rozkręca głośny silnik wysokoprężny, a potem jak wielki kot maniakalnie skacze po torze wyścigowym, szybko osiągając prawie 30 km/h.

Tłum, wypełniony badaczami robotyki z całego świata i ciekawskimi członkami publiczności, wzdycha i bije brawo. Ale technologia chodzenia i biegania, którą można znaleźć w maszynach opracowanych przez Boston Dynamics, jest czymś więcej niż tylko olśniewającym. Jeśli da się to ulepszyć, te roboty i im podobne, mogą wyjść z laboratoriów badawczych i zaludnić świat inteligentnymi maszynami mobilnymi. To pomaga wyjaśnić, dlaczego na kilka dni przed DARPA Challenge firma Boston Dynamics została przejęta przez Google.

Część 1
Nauka skakania

Kilka miesięcy przed konkursem DARPA odwiedziłem Boston Dynamics, który zajmuje zwyczajnie wyglądający budynek na skraju cichego parku przemysłowego w Waltham w stanie Massachusetts, 20 minut jazdy od Bostonu. Przy wejściu zdają się stać na straży czworonożne roboty o różnych kształtach i rozmiarach. W dużym warsztacie wewnątrz dziesiątki inżynierów majstrowały przy wszelkiego rodzaju mechanicznych bestiach. W jednym rogu mała czworonożna maszyna z długą szyją i chwytakiem zamiast głowy używała wyrostka do rzucania bloków żużlu po podłodze.

Wszystkie te maszyny wywodzą się z przełomowych prac wykonanych przez Marca Raiberta, założyciela i dyrektora ds. technologii w Boston Dynamics. Na ścianie w gabinecie Raiberta, obok dużego plakatu przedstawiającego Atlasa z dużą ilością szczegółów technicznych, znajduje się mały plakat przedstawiający różne dinozaury. Wspomina, że ​​zainteresował się lokomocją zwierząt podczas studiów doktoranckich na wydziale nauk o mózgu i kognitywistyce w MIT pod koniec lat 70., kiedy dwóch wybitnych fizjologów przyszło rozmawiać o badaniach nad lokomocją kotów. Zafascynowany tym, jak mózg może wytworzyć taką sprawność bez wysiłku, Raibert wymyślił plan rozpoczęcia budowy maszyn do badania tego zjawiska, kiedy w 1980 roku otrzymał pracę jako adiunkt na Carnegie Mellon University.

Inni naukowcy zbudowali maszyny do chodzenia. Niektórzy mieli wiele nóg, aby podniesienie jednej z nich do chodzenia do przodu nie zachwiało ich równowagi. Inni poruszali się niezwykle ostrożnie i celowo, aby zachować niepewną równowagę. Maszyny były niezgrabne, powolne iw ogóle kiepska imitacja większości biologicznej lokomocji. W wielu przypadkach nawet najmniejszy poślizg lub pchnięcie może spowodować ich przewrócenie.

Demonstrując niezwykły wgląd, Raibert zdecydował, że jego pierwszy chodzący robot nie będzie zaprojektowany tak, aby uniknąć niestabilności, jaką może wywołać ruch; obejmie to. Zamiast sześciu nóg, a nawet czterech, dał mu tylko jedną.

Robot musiałby odbijać się na jednej nodze, oceniając swój ruch i orientację przy każdym skoku, i szybko dostosowywać pozycję swojej nogi i ciała, a także ilość energii, jaką noga zużywałaby przy następnym skoku. Obliczenia były zaskakująco proste.

Co ciekawe, robot działał doskonale, podskakując jak opętany pogo-skoczek. Podczas gdy pierwsza wersja miała ograniczony ruch, następna mogła swobodnie skakać po laboratorium. Wciąż pamiętam – myślę, że był to sierpniowy dzień 1983 roku, wspomina Raibert. Wszyscy po prostu staliśmy i uśmiechaliśmy się. Popychaliśmy maszynę i podróżowała przez pokój, aż dostał ją drugi facet, a potem odpychał ją z powrotem.

Raibert wiedział, że skaczące zwierzę traci równowagę podczas skakania i musi stale się dostosowywać, a do poruszania się używa grawitacji. Podstawowy robot skaczący rozwiązał te same problemy i pokazał, jak budować bardziej zwinne maszyny. Wyglądało mi to na dynamikę [ruchu biologicznego], gdzie jest dużo energii i ruchu, gdzie cały czas jest przechylanie – że to były naprawdę cechy, które chciałeś uzyskać, wspomina.

Zainspirowani sukcesem tego podejścia, Raibert i jego uczniowie zaczęli budować inne maszyny na nogach, używając tego, co robotycy nazywają równowagą dynamiczną — umiejętnością używania ruchu do utrzymania równowagi. Następna wersja truchtała na dwóch przednich i dwóch tylnych nogach. Inne roboty miały znacznie bardziej wyrafinowane złącza, siłowniki i oprogramowanie sterujące.

W 1986 roku Raibert’s Leg Lab przeniósł się z CMU do MIT, gdzie opracował inne roboty, które potrafiły chodzić, podskakiwać, biegać i skakać w sposób, który często wydawał się dziwnie rozpoznawalny. Maszyny miały nazwy inspirowane biologicznymi odpowiednikami. Spring Flamingo i Spring Turkey przechadzały się po laboratorium jak gigantyczne ptaki, podczas gdy Uniroo skakał, używając ogona dla utrzymania równowagi, jak niezręczny, jednonogi kangur.

Raibert założył Boston Dynamics w 1995 roku, początkowo w celu sprzedaży oprogramowania symulacyjnego opracowanego w jego laboratorium. Ale firma konsultowała się również w projektach robotyki komercyjnej, w tym przy opracowywaniu AIBO i QRIO, robotycznych zabawek, które Sony wyprodukowała odpowiednio w 1999 i 2003 roku. A kontrakt z DARPA w 2003 roku sprawił, że firma Boston Dynamics zaczęła produkować własne maszyny na nogach.

Część 2
Nauka biegania

Duży pies

W 2003 roku, uzbrojony w kontrakt DARPA na stworzenie prototypu pojazdu zdolnego do podążania za oddziałami po terenie niedostępnym dla pojazdów kołowych lub gąsienicowych, Boston Dynamics zaczął opracowywać BigDog, czteronożną maszynę mniej więcej wielkości dużego berneńskiego psa górskiego. Robot musiał być w stanie poruszać się po chaotycznym, nieprzewidywalnym terenie rzeczywistym. Oznaczało to, że musiał być wytrzymały, wyjątkowo zwinny, zdolny do przenoszenia własnego źródła energii i zdolny do wyczuwania własnego ruchu – i otoczenia – bardziej szczegółowo niż jakakolwiek z zbudowanych wcześniej maszyn kroczących.

Większość prac laboratoryjnych, które wykonaliśmy, dopóki BigDog nie znalazł się w dość łagodnym środowisku laboratoryjnym, mówi Raibert. Był czysty, suchy i płaski.

Powstała maszyna była napędzana silnikiem gokartowym i wykorzystywała 69 czujników do monitorowania ruchu nóg, sił wywieranych na te kończyny oraz czynników, w tym temperatury i ciśnienia hydraulicznego. Używając równowagi dynamicznej, mógł chodzić po piasku, śniegu, a nawet lodzie. Najbardziej spektakularnie, po mocnym kopnięciu potrafił utrzymać się na nogach. BigDog można prowadzić zdalnie, ale jego zachowanie równoważące, podobnie jak w przypadku innych robotów Boston Dynamics, jest automatycznie kontrolowane przez komputer pokładowy.

LS3

Mając dodatkowe fundusze wojskowe, w tym trochę pieniędzy z piechoty morskiej, Boston Dynamics zaczął budować większą, potężniejszą wersję BigDoga w 2009 roku. Nazywany Alpha Dog, ale oficjalnie nazywany Legged Squad Support System lub LS3, robot jest wielkości konia i może przewozić 180 kilogramów lub cztery w pełni załadowane plecaki marines, przez maksymalnie 20 mil dziennie w trudnym terenie.

Podobnie jak BigDog, LS3 wykorzystuje laserowy przyrząd do pomiaru odległości lub lidar i stereofoniczne kamery wideo w głowie, aby identyfikować przeszkody, mapować otoczenie i podążać za żołnierzem idącym do 45 metrów do przodu, identyfikowanym przez odblaskową łatkę. Zeszłego lata Marines rozpoczęli testowanie LS3 w bazie pustynnej w Kalifornii oraz w lesie w Fort Devens w stanie Massachusetts. Testy te obejmowały symulowane misje bojowe z LS3 jako mułem.

Żbik

DARPA zapewniła również fundusze na bardziej mobilnego, zwinnego i szybszego czteronożnego robota. Pierwsza wersja, Cheetah, może biegać z prędkością 47 kilometrów na godzinę na bieżni przymocowanej do drążka stabilizującego. Firma Boston Dynamics opracowała większą, niezależną wersję, zwaną WildCat, w 2013 roku. Podobnie jak Cheetah, WildCat zgina swoje ciało, aby wydłużyć krok i zwiększyć prędkość. Może jeździć z prędkością 26 kilometrów na godzinę pod zdalnym sterowaniem. Boston Dynamics opublikował wideo online robota skaczącego i galopującego po swoim parkingu.

Część 3
Nauka chodzenia

W 1989 roku jeden z absolwentów Raiberta, Rob Playter, który był mistrzem gimnastyki w Ohio State, pomógł mu zbudować wolno poruszającego się, dwunożnego robota, który potrafił wykonywać salta i inne akrobatyczne wyczyny na bieżni lub podczas skakania po bieżni. laboratorium. Salto się popisywało, przyznaje Raibert. Wykazał jednak poziom kontroli, który obiecał pomóc robotom w poruszaniu się po znacznie trudniejszym terenie. Wskazała również, w jaki sposób maszyny mogą pewnego dnia poruszać się po środowiskach zaprojektowanych dla ludzi. Kółka to dobry sposób na poruszanie się, gdy teren przed nami jest płaski i czysty, ale koło nie może łatwo wspinać się po schodach ani ominąć przewróconego krzesła. Jeśli roboty mają być kiedykolwiek szeroko stosowane w naszych domach, prawdopodobnie będą musiały chodzić.

Ponieważ aranżujemy nasze domy tak, aby odpowiadały ludziom, bardzo ważne jest, aby roboty miały te same kompetencje w zakresie lokomocji i manipulacji, co ludzie, mówi Gill Pratt, kierownik programu DARPA odpowiedzialny za wyzwanie robotyki. Nogi mogą zapewnić ogromną przewagę nad kołami i gąsienicami; noga nie potrzebuje ciągłej ścieżki wsparcia; noga może nadepnąć, co jest niezwykłą rzeczą do zrobienia.

Konkretna inspiracja dla DARPA Robotics Challenge pojawiła się w dramatycznych okolicznościach, gdy w marcu 2011 r. u wybrzeży Japonii nastąpiło trzęsienie ziemi. Próby oczyszczenia uszkodzonego reaktora jądrowego w Fukishimie ujawniły ograniczenia najlepszych istniejących robotów i pokazały potrzebę maszyn które mogą lepiej poruszać się po ludzkim świecie. DARPA opracowała swoje wyzwanie, aby zainspirować roboty, które mogłyby pomóc, gdyby taka sytuacja powtórzyła się. Roboty muszą być w stanie nie tylko pracować w środowiskach zaprojektowanych dla ludzi, ale także poruszać się po tych miejscach po ich poważnym uszkodzeniu.

Atlas spisał się dobrze w Miami, ale daleko mu jeszcze do ideału. Po pierwsze, moc potrzebna do napędzania jego układów hydraulicznych ogranicza jego użyteczność. Każdy z robotów biorących udział w zawodach wymagał zewnętrznych generatorów do zasilania hydrauliki; generatory są zbyt duże do przenoszenia, stosunkowo nieefektywne i głośne. Mimo że przyszłe wersje Atlasa mają mieć własne źródło zasilania, nadal będzie to elementarne rozwiązanie, dopóki naukowcy nie będą w stanie wymyślić, jak sprawić, by maszyny były znacznie bardziej energooszczędne.

Percepcja to kolejne duże wyzwanie. Atlas wykorzystuje równowagę dynamiczną i może skanować otoczenie w poszukiwaniu przeszkód, ale sposób, w jaki wykorzystuje te informacje do nawigacji, jest nadal powolny i prymitywny. Jeśli obserwujesz kogoś tańczącego, wspinającego się lub uprawiającego parkour, jesteśmy niesamowicie daleko [od] robota, który może to zrobić, mówi Pratt.

Podczas wyzwania DARPA Atlas działał częściowo autonomicznie, ponieważ zespoły mogły dostarczać konkretne instrukcje i wydawać mu polecenia wykonania zadania, ale większość zachowań robota, w tym przywracanie równowagi w ułamku sekundy, odbywało się automatycznie. Wizją DARPA jest, aby roboty ratownicze działały w ten sposób, z ludźmi zapewniającymi wskazówki i pomoc, ale roboty działają autonomicznie w razie potrzeby, na przykład w przypadku awarii łącza komunikacyjnego. Ale jeśli roboty mają kiedykolwiek wykonywać zadania, które niektórzy sobie wyobrażają — na przykład pomagać osobom starszym w domu — będą musiały mieć możliwość pracy z jeszcze większą autonomią.

Wracając do pit lane, w pobliżu garażu zarekwirowanego przez zespół wsparcia z Boston Dynamics, Raibert mówi, że ludzie i zwierzęta mają niezwykłą mobilność, większą niż jakikolwiek pojazd stworzony przez człowieka, więc sensowne jest tworzenie robotów z nogami. Powiem tylko, że myślę, że przyszłość robotyki musi tam iść, mówi, tuż przed tym, jak jeden z jego robotów zacznie pewnie chodzić po stercie gruzu. Możesz teraz robić rzeczy bez tego, ale w końcu naprawdę będziesz tego chcieć i właśnie to mamy nadzieję umożliwić.

Opowieść autorstwa
Czy rycerz

Rozwój front-endu przez
Drew Chandler

Główna fotografia autorstwa
Adam DeTour

Dodatkowe zdjęcia i wideo dzięki uprzejmości
Boston Dynamics

Dyrektor kreatywny
Eric Mongeon

Starszy producent stron internetowych
Kyanna Sutton

Starszy Inżynier Oprogramowania
Molly Frey

ukryć