Siły natury

Najbardziej znane dzieło Sangbae Kima, zawieszone na bieżni w środku laboratorium robotyki biomimetycznej, czeka na kolejny test. Cheetah III to zestaw połączeń, obwodów i silników elektrycznych. Podobnie jak zwierzę o tej samej nazwie, czworonożny robot waży około 90 funtów i jest szybki i kompetentny. Zaprojektowany, aby pokonywać przeszkody i przedzierać się przez trudne otoczenie z prędkością do 3 metrów na sekundę lub 6,7 mil na godzinę, Cheetah III może dotrzeć niemal wszędzie, gdzie może się udać człowiek, przy minimalnym nadzorze, mówi Kim.

W tej chwili potrzebuje ochrony przed paparazzi, jeśli nic więcej. Chociaż brakuje im cech, takich jak futro i uszy, boty Cheetah zachowują charyzmę ssaków. Kiedy ktoś wychodzi — kłusować po Massachusetts Avenue lub skakać po boisku piłkarskim MIT — zwykle przyciąga tłum. W filmie Kima Ice Bucket Challenge z 2014 roku wcześniejsza modelka Cheetah kradnie show, kopiąc wiadro. Członkowie laboratorium wyklejali okna 5-017, aby mogli wykonać pracę.

Kim, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej, swoje pomysły czerpie z natury. Biologia prowadzi nas ku temu, co jest możliwe, mówi. Pomogło mu w tworzeniu maszyn, które poruszają się jak owady, jaszczurki i koty, nie wspominając o setkach tysięcy wyświetleń na YouTube. Ale nie chce na tym poprzestać. Najnowsze badania Kima czerpią wskazówki od szczególnie inspirującego zwierzęcia: człowieka.

Wymyślanie nogi na nowo
W laboratorium robotyki biomimetycznej w piwnicy budynku 5 Cheetah III jest otoczony bardziej znanymi maszynami. Laboratorium Kima pełni jednocześnie funkcję małego zakładu produkcyjnego z drukarkami 3D, wycinarką laserową, wiertarką i frezarką CNC. Podczas gdy większość laboratoriów robotyki używa prefabrykatów, Kim woli podejście „zrób to sam”. W zasadzie budujemy wszystko, co mamy, mówi.

Jest to rozsądne, gdy tworzysz i testujesz nowy gatunek mechaniczny: podczas ciężkiego dnia ćwiczeń gepard przechodził przez cały zestaw poliuretanowych poduszek na łapy. (Teraz ma gumowe). Ale co ważniejsze, podejście DIY pozwala zespołowi zacząć od zera, nieskrępowane założeniami wbudowanymi w standardowy sprzęt. Sposób, w jaki się porusza, naprawdę różni się od większości robotów, ponieważ właściwie sami zaprojektowaliśmy nasz system, mówi Kim.

Większość rówieśników Cheetah jest zoptymalizowana pod kątem fabryk. Produkują roboty, stworzone do wykonywania tego samego zestawu zadań w kółko, niezależnie od tego, czy chodzi o pakowanie palety, czy wkręcanie śruby. Są o wiele szybsze, dokładniejsze i bardziej spójne niż ludzie, mówi Kim. Ale w rzeczywistości nie wchodzą w interakcję ze swoim środowiskiem lub przedmiotami, tak jak my.

Aby to zademonstrować, Kim wykonuje klasyczne ludzkie działanie: chwyta laptopa ze stołu. Jest w tym karykaturalnie niezdarny — jego przedramiona uderzają o powierzchnię stołu, a dłonie dotykają boków ekranu — ale zarówno człowiek, jak i laptop pozostają nienaruszone. Następnie odkłada go z powrotem i naśladuje, jak robot fabryczny podchodziłby do tego samego zadania. Tym razem sunie rękami z wielką koncentracją, zwalniając, gdy idzie. Kiedy faktycznie dociera do obiektu, ledwo się porusza.

Twoje chodzenie jest milion razy bardziej niesamowite niż latanie myśliwcem odrzutowym.

Mówi, że człowiek może po prostu chwycić rzeczy w sekundę lub mniej. Ale robot? Musi być powolny, bo nie może się zderzyć. Ta sama sztywność, która sprawia, że ​​robot fabryczny jest spójny, uniemożliwia mu bezpieczne pochłanianie energii wytworzonej przez uderzenie. Zamiast tego ta energia kończy się łamaniem go lub czegokolwiek, z czym próbuje wchodzić w interakcje. To ograniczenie jest paraliżujące dla maszyn, które chcą, powiedzmy, chodzić: w końcu każdy krok to kolizja, mówi Kim. (Pojazdy mają również problemy z radzeniem sobie z podłożem. Jak wskazuje Kim, samoloty i łodzie poruszają się w powietrzu i na morzu, ale musieliśmy wygładzić drogę dla transportu lądowego za pomocą dróg i torów kolejowych.)

Pierwszy prototyp Geparda Sangbae Kim miał głowę, kręgosłup i ogon. Najnowszy biega jak gepard, ale nie wygląda już jak zwierzę, mówi.

Kiedy ludzie próbują tworzyć roboty, które chodzą i biegają, często zaczynają od tych samych elementów, co w robotach przemysłowych. Na przykład, gdy nadejdzie czas, aby wybrać siłownik — część maszyny, która przekształca źródło energii w ruch — wybierze siłownik hydrauliczny: mocny i precyzyjny, ale bardzo sztywny i niezdolny do amortyzacji wstrząsów. Umieszczą siłownik na biodrze robota, a czujnik siły na stopie. Kiedy robot idzie, czujnik siły określa, jak mocno uderza w ziemię, i informuje siłownik, który odpowiednio się dostosowuje.

Generalnie jednak ta strategia nie działa zbyt dobrze. Czujesz siłę tutaj [u stóp], ale twój siłownik jest daleko i jest zbyt wolny, wyjaśnia Kim. Pomiędzy nimi jest sporo masy i dynamiki… idzie niestabilnie. (Lubi uderzać w ten punkt super-cięciem z DARPA Robotics Challenge 2015, w którym seria drogich, imponująco wyglądających dwunożnych robotów przewraca się jak uśpione Terminatory.)

Dlatego Kim postanowił zacząć od nowa, projektując nowy typ siłownika o różnych priorytetach. Jego siłownik jest smukły i wredny — ma wysoki moment obrotowy, więc może generować dużą siłę obrotową, ale jest napędzany lekkim silnikiem elektrycznym o minimalnej bezwładności obrotowej, co pozwala szybko zmienić prędkość obrotową. Reszta nogi Geparda została zaprojektowana tak, aby była jak najlżejsza i jak najmniej tarcia, mówi.

Ponieważ noga jest chuda i lekka, siła wytwarzana przez siłownik prawie się nie zmienia, gdy dociera do stopy, co sprawia, że ​​czujnik siły nie jest konieczny. Daje to Gepardowi szybszy refleks: może zmieniać wielkość wywieranej siły około 50 razy szybciej niż roboty, które używają zarówno siłowników, jak i czujników siły.

Bardziej niezgrabny robot potrzebuje całej pętli danych, aby uruchomić, zanim zorientuje się, jak mocno jego stopa właśnie uderzyła o chodnik i co powinien zrobić dalej. Ale kiedy gepard ląduje po przeskoku przez przeszkodę, stopy kontrolują siły niezbędne do utrzymania równowagi i odzyskania równowagi natychmiast po zderzeniu z ziemią, mówi Kim. (Konstrukcja może również znacznie łatwiej pochłaniać energię — gdy stopa uderza o ziemię, siła uderzenia przemieszcza się z powrotem w górę nogi i do siłownika, ładując silnik zamiast go łamać).

Zamiast wyczuwać siłę, Gepard skupia się na ustaleniu, gdzie się znajduje w przestrzeni. Czujniki położenia stawów, akcelerometry i żyroskopy nieustannie przesyłają dane do zestawu algorytmów, które pracują nad określeniem, kiedy i jak mocno każda noga uderzy w ziemię w następnej kolejności. Kiedy stopa Geparda nadepnie na coś nieoczekiwanego — powiedzmy na skałę, która powoduje przechylenie jego ciała — ta informacja pomaga robotowi zdecydować, czy kontynuować krok, czy cofnąć się. Jeśli wykona krok, uruchamia się inny algorytm, aby przewidzieć, ile siły należy zastosować, aby przejść przez obiekt – lub jaka siła kompensacyjna jest potrzebna, aby dostosować równowagę, jeśli zostanie potrącony.

Ten zestaw priorytetów umożliwił Gepardowi robienie rzeczy, których większość innych robotów nie potrafi, takich jak kłus i skok. Jest również niezwykle wydajny — zużywa energię tylko trochę mniej rozsądnie niż prawdziwy gepard, co stawia go o ligę przed innymi robotami. Może nawet manewrować w swoim otoczeniu bez kamer. W jednym z najważniejszych rolek niewidomy gepard biegnie po żwirowym łacie, wspina się po schodach i wielokrotnie wyprostowuje się, gdy członek laboratorium szturcha go kijem. Kim swoje podejście nazywa aktywacją proprioceptywną, od szóstego zmysłu, który daje ludziom świadomość położenia naszego ciała w przestrzeni.

Osiągnięcie takiej stabilności wymaga poświęcenia pewnej dokładności — stale mamy 10% lub 15% błędu [kontroli siły], mówi Kim. Chociaż może to rozczarować niektórych inżynierów, Cheetah jest tak lekki i pochłania energię, że generalnie może tolerować wskaźnik błędów, nawet przy silnych uderzeniach podczas biegania i skakania.

Przetłumaczenie zachowania żywych stworzeń na terminy mechaniczne wymaga wielowarstwowego sposobu myślenia. Każdy w robotyce jest bardzo skoncentrowany na swoim małym obszarze — istnieje wiele grup programistycznych, które uważają, że wszystko można rozwiązać za pomocą kodu lub grup sprzętowych za pomocą sprzętu, mówi dr João Ramos, jeden ze stażystów w laboratorium. Sangbae ma zintegrowany widok. Jeśli chcesz rozwiązać problem, musisz pomyśleć o tym na poziomie koncepcji, sprzętu i oprogramowania.

Ta zmiana paradygmatu była możliwa, ponieważ jestem inżynierem mechanikiem, zgadza się Kim. Myślę o dynamice ciał sztywnych zamiast [tylko] pisania oprogramowania. Kilka firm, w tym Boston Dynamics, wykorzystuje teraz jego konstrukcję siłownika również w częściach swoich robotów.

Wspinaczka
Kim nabrała zwyczaju szukania nowych sposobów robienia rzeczy, dorastając w Seulu w Korei Południowej, żyjąc na małej przestrzeni bez wielu zasobów — lub warsztatu. Zbudowałem wiele rzeczy, mówi. Znalazłem każdy możliwy sposób na stworzenie własnych narzędzi. Rozebrał sprzęt AGD, żeby zobaczyć, czy uda mu się je złożyć z powrotem. Kiedy jego przyjaciele ścigali się swoimi samochodami sterowanymi radiem, podnosił brzuch i majstrował przy nim.

Jako student Uniwersytetu Yonsei w Seulu zaprojektował najtańszy wówczas na świecie skaner 3D. (Odbył także obowiązkową służbę w armii Korei Południowej, co, jak twierdzi, spotęgowało jego niechęć do biurokracji). Dołączył do startupu, który komercjalizował skaner, ale wkrótce po opracowaniu pierwszego prototypu zdał sobie sprawę, że woli wymyślać niż dostrajać. i postanowił wrócić do środowiska akademickiego.

Kiedy w 2002 roku dostał się do Stanford na studia podyplomowe, chciał dalej pracować przy projektowaniu sprzętu, ale zdał sobie sprawę, że wiele zadań, które kiedyś wymagały majsterkowania przy ruchomych częściach, teraz wykonywanych jest na komputerach. Czego nie da się zastąpić elektroniką? on mówi. Jeśli musisz popracować nad czymś, co fizycznie oddziałuje na środowisko, nie da się tego zastąpić fragmentem kodu ani chipem… Dlatego wkroczyłem w świat robotyki.

Kim dołączyła do Laboratorium Biomimetyki i Zręcznej Manipulacji Marka Cutkosky'ego w Stanford. Byłem zafascynowany tym, jak poruszają się zwierzęta, mówi. Skupiłem się na zasadzie „Och, to jest coś u zwierząt – powtórzmy to”. Pracował nad pająkowatą maszyną wspinaczkową i rojem botów inspirowanych karaluchami, które potrafiły samodzielnie biegać. Później, jako postdoc na Harvardzie, zbudował autonomicznego robota dżdżownicę. (Porusza się, ściskając swoje segmenty w odpowiedzi na prąd elektryczny i jest wystarczająco miękki, aby przetrwać nadepnięcie.)

Ale jego pierwszym wielkim przełomem był Stickybot, robot, który potrafi wspinać się po ścianach jak gekon. Podobnie jak nogi geparda, stopy gekonów wykonują dwie trudne rzeczy naraz: mogą z wielką siłą przylegać do ściany, ale także mogą się od niej odrywać z dużą szybkością. Jeśli myślisz o zbudowaniu stroju do wspinaczki — jeśli masz naprawdę lepkie ręce, możesz wspiąć się po ścianie, ale jeśli twoje ręce są tak lepkie, nie możesz wyłączony ściany, mówi Kim. Ale gekony podbiegają.

Mini Cheetah, mniejszy, bezpieczniejszy, bardziej zwinny gepard, jest przeznaczony do badań i edukacji. Dane są gromadzone za pomocą jego uwięzi, a algorytmy sterowania można zmieniać w ten sam sposób.

W 2006 roku Kellar Autumn, biolog z Lewis & Clark College, opublikował artykuł szczegółowo opisujący, w jaki sposób gekony sobie z tym radzą. Klucz tkwi w maleńkich włoskach na stopach, które są tak skonstruowane, że przyklejają się tylko po pociągnięciu w jednym kierunku. Kim wykorzystał tę zasadę, aby stworzyć Stickybota i klej, który nazywa taśmą gekona. – To chyba nadal mój ulubiony projekt pod względem naukowym – mówi. Opracowaliśmy nowy materiał — nową koncepcję, która nie istniała, zanim zrozumieliśmy gekona.

W 2009 roku Kim dołączył do wydziału MIT i przez lata często spotykał się z Rodneyem Brooksem w Starbucks, aby wymieniać pomysły. (Brooks, były dyrektor CSAIL, odszedł, by założyć Rethink Robotics w 2008 roku.) Jak mówi Brooks, myśli szeroko – i próbuje rzeczy, które mogą przestraszyć innych ludzi. Brooks przypomina, że ​​na konferencji Amazon w 2017 roku Kim postanowiła wymyślić, jak wydawać polecenia głosowe Gepardowi za pomocą Amazon Echo. Mówi, że gdy jego demo pojawiło się następnego ranka, był w stanie po raz pierwszy porozmawiać ze swoim robotem. To był odważny ruch.

Kim zdobył etat w 2016 r. i co drugi rok uczy 2.74 (zainspirowanej biologią robotyki), dla której uczniowie stworzyli boty, które huśtają się jak małpa lub skaczą jak kangur. Współuczy również 2.007 (Projektowanie i Produkcja). Kulminacją zajęć z projektowania robotyki jest tematyczny konkurs, który zawsze przyciąga tłumy, a Kim i jego współinstruktor, Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, przebierają się w kostiumy, aby to osiągnąć. W zeszłym roku Kim zagrała Willy'ego Wonkę. Wiele z jego wykładów na wysokim poziomie dotyczyło czerpania inspiracji z natury, wspomina Selam Gano '18, który uczęszczał na zajęcia z biomimetyki w 2017 roku. wpatruj się w swoją rękę i bądź jak „Wow, to jest niesamowite!”… Naprawdę zaraża wszystkich swoim podekscytowaniem.

Dociśnij to do granic
Czasami nie wiesz, jak naprawdę coś jest niesamowite, dopóki nie przestanie działać. Na przykład około 15 lat temu Kim zerwał ścięgno Achillesa. To go zaskoczyło: jasne, grał wtedy w koszykówkę, ale nie robił nic wymyślnego. Po prostu szedłem, mówi. To było dziwne. Jego lekarz kazał mu sześć miesięcy odpoczynku na kanapie.

Kim — która od tego czasu przerzuciła się na tenis — nie jest fanką odpoczynku na kanapie. Mimo to uznał to doświadczenie za pouczające. Twoje mięśnie są wystarczająco silne, aby cały czas wyrywać ścięgna i zwichnąć stawy, mówi. Nasze układy nerwowe zawsze dokładnie dostosowują ilość siły, którą musisz wytworzyć. W jakiś sposób jego ciało ominęło to i przekroczył własne granice. Ale przez większość czasu chronimy się. W przeciwieństwie do tych niezdarnych robotów DARPA Challenge, udaje nam się mieć zarówno moc, jak i kontrolę.

Skupiłem się na zasadzie „Och, to jest coś u zwierząt – powtórzmy to”.

Co więcej, jak gekony wspinające się po ścianie, robimy to nawet o tym nie myśląc. Twoje chodzenie jest milion razy bardziej niesamowite niż latanie myśliwcem odrzutowym, mówi Kim, wyliczając listę naszych podświadomych umiejętności. Możemy otwierać drzwi bez utraty równowagi. Możemy pobiegać ulicą, będąc w rozproszeniu. Możemy zjeść śniadanie, kontynuując rozmowę i nie myślimy: „Och, przestawiam ten mały kawałek ziemniaka z powrotem na lewą stronę zębów, aby zęby mogły go zmiażdżyć na kawałek rozsądnej wielkości, ' on mówi. Zbyt wiele rzeczy uważamy za oczywiste!

Możemy nigdy nie potrzebować robota, który przeżuwa. Ale jeśli chcemy takiego, który świetnie utrzyma się w pozycji pionowej, może pomóc wykorzystać nasze własne umiejętności — tak jak robi to inny z projektów Kim. HERMES (co oznacza wysoce wydajne mechanizmy robotyczne i system elektromechaniczny) to robot dwunożny, który wykorzystuje te same unikalne siłowniki, co Gepard. Ale zamiast działać całkowicie samodzielnie, jest kontrolowany przez człowieka za pomocą tego, co Kim nazywa interfejsem sprzężenia zwrotnego równowagi.

Aby kontrolować HERMES, operator nosi specjalną kamizelkę wykrywającą ruch i stoi na platformie z wbudowanymi czujnikami siły. Śledząc i przesyłając dane ruchu w obu kierunkach za pomocą przewodów, kamizelka i platforma tworzą empiryczne połączenie między człowiekiem a robotem. Powiedzmy, że HERMES ma otworzyć ciężkie drzwi. Operator wykonuje ruch pchający, a robot podąża za nim. Kiedy HERMES uderza w drzwi, człowiek odczuwa uderzenie i odpowiednio dostosowuje swoją równowagę. HERMES dokonuje tych samych regulacji i zapobiega przewracaniu się. Algorytmy dostosowują odpowiednie siły, aby człowiek noszący kamizelkę mógł kontrolować mniejszego robota lub czworonożnego.

W ten sposób system pozwala zarówno człowiekowi, jak i botom wnieść swoje mocne strony do sytuacji, jednocześnie minimalizując ich słabości. Ludzie są sprytni i dobrzy w balansowaniu i delikatnej manipulacji, ale my jesteśmy dość delikatni. Roboty są silne i wytrzymałe, ale potrzebują dużo wskazówek. Kim chce połączyć tę technologię z Gepardem, zastępując jedną z jego nóg proprioceptywnym ramieniem robota, nad którym pracuje. Ramię łączy człowieka z maszyną w bardziej delikatnej skali, pozwalając operatorowi poczuć, co się dzieje, gdy robot chwyta linę lub przekręca klamkę.

Wyobraża sobie ratownika, który używa tych narzędzi do eksploracji niebezpiecznego obszaru. Masz gogle [VR] i może polecenie głosowe: „Gepard, idź do pokoju 507”, mówi. Gepard szybko dociera tam, poruszając się sprawnie i unikając gruzu. Znajduje swój cel: Och, jest wyciek gazu i musisz zamknąć ten zawór. Robot może wtedy stanąć na trzech nogach, podczas gdy człowiek manipuluje czwartą nogą – która służy również jako ramię robota – aby wyregulować zawór.

To moja wielka wizja: mobilność na poziomie człowieka, w większości autonomiczna, z manipulacją wykonywaną głównie przez ludzi, mówi Kim. Te trzy elementy ostatecznie pozwolą nam to zrobić. Dodaje, że kiedy będą mogli, otworzy się więcej możliwości. Kim może sobie wyobrazić swoje roboty w domach osób starszych, zdalnie aktywowane w razie potrzeby przez osobę ze sterowni: mogłyby zapewnić zarówno pomoc, jak i prywatność osobom, które potrzebują pomocy, ale nadal chcą żyć samodzielnie.

A może jego gepardy skończą wykonywać niebezpieczną pracę fizyczną, prowadzoną przez wykwalifikowanych pracowników, ukrytą w bezpiecznych miejscach w pobliżu. Przewiduje, że za dwa do trzech lat Cheetah III będzie w stanie poruszać się w wypełnionej promieniowaniem elektrowni; za dziesięć lat jego następca powinien być w stanie wykonywać bardziej wymagające fizycznie prace, takie jak manipulowanie gruzem. Myśli, że za 15-20 lat może wejść do płonącego budynku i ratować ludzi.

Ale Kim przestała skupiać się na bezpośrednim kopiowaniu innych stworzeń. Kiedy po raz pierwszy wyobraziłem sobie, że mój robot biegnie, galopujący jak gepard, zawsze myślałem o tym pięknym zginaniu ciała – mówi. Szybko jednak zdał sobie sprawę, że elastyczny kręgosłup nie poprawiłby jego bota w ostatecznej pracy. To samo dotyczy innych szczegółów: na początku przyglądałem się każdemu kształtowi kości, trajektoriom i tak dalej, mówi. Nadal przyglądam się wielu badaniom biologii, aby naprawdę zrozumieć, co się dzieje. Ale traktuje je bardziej jak inspirację niż broszury z instrukcjami: Teraz mówię: „Dobra, cztery nogi są dobre”.

ukryć