Ingenjörerna håller med om: naturen gör de bästa robotarna

Mina ledsagare och jag gick i fem fasta minuter genom ett konverterat lager för andra världskriget, och lindrade genom en labyrint av svaga korridorer och en kavernös järnvägsfjärd, sedan genom ett labb fullt av rymdsskelett mitt i prototypen. Vi nådde äntligen arbetsbänken där marinen bygger… en robotekorre.

"Ekorre" är lite av en sträcka, eftersom den första helt uppbyggda versionen av Meso-skalan Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn) kommer att väga 10 till 20 pund när den är klar i vår - ett monster av en gnagare, enligt någons definition. Roboten i sin nuvarande form består av en rektangulär grenrör och den 10: e iterationen av ett hundfogat ben, monterat på en glidande aluminiumstag. En ljusblå 3D-tryckt modell i närheten visade hur den kommer att se ut när den är komplett: en huvudlös, fyrbent maskin ungefär storleken på en Yorkshire terrier.

Men när projektets ingenjörer avfyrade det för att ge mig en demonstration, såg jag varför de hänvisar till MeRLIn som en ekorre: Trots sina små motorer och hydrauldrivna kolvar kan det hoppa som helvete.

MeRLIn är bara en av de senaste robotarna som har djur att tacka för sin inspiration. Djurriket har många exempel på smart avkänning och rörelse, och effektivitet är kung i den batteridrivna, begränsade makten världen av autonom robotik. Förmågan att imitera ett känguruhopp, till exempel, skulle förverkliga en idealisk avvägning mellan kraft och prestanda: Senorna i dessa pungdjurens formidabla bakbenar lagrar energi mellan varje steg, vilket gör att djuren kan resa långa sträckor med relativt lite energiförbrukning.

Foto: US Naval Research

Biologi ligger bakom några av de mest innovativa robotkonstruktionerna som dyker upp idag: Titta på UC Berkeleys Salto, inspirerad av den höghoppande afrikanska buskbenen, eller University of Virginia's mantabot, modellerad efter cownosstrålar från Chesapeake Bay.

Det är lätt att se varför. Biologiskt inspirerade mönster har tydliga fördelar när det gäller att utföra uppgifter för vilka den mänskliga formen är dåligt anpassad. Från småflugor till djuphavsfiskar och till och med mikrober (en del bränsleceller drivs av mikrobiell kemi) har naturen pratat och justerat otroligt effektiva sätt att få jobb gjort. Miljontals år med evolution har gjort djur otroligt effektiva på jobbet de gör - flyg, hoppning, promenader och simning; avkänning i osynliga spektra; och troligen fler förmågor som vi ännu inte har upptäckt.

Men långt ifrån att vara mekaniska kopior av djur, främjar de biorobotar som byggs idag målet att destillera dessa eleganta biologiska lösningar. Drivkraften nu är att analysera vad dessa strategier är, dela dem ned i sina huvudsakliga essenser och utnyttja dem för våra egna syften. Medan forskare och ingenjörer bygger komponenter som kan röra sig bättre, förblir processorer som kan tänka djupare och sensorer som kan upptäcka mer fint, men att sammanfoga det hela till ett verkligt funktionellt, massproducerbart paket är fortfarande en svår uppgift.

Faller innan du går

Om MeRLIn ser bekant ut - det borde det. Glen Henshaw, projektets ledande utredare, sa att hans team inte gör några ben på det faktum att MeRLIn är inspirerad av mycket större och tyngre förfäder som redan har hittat ett bra mått på Internet-berömmelse, inklusive Boston Dynamics 'L3 och Big Dog och MIT: s Gepard.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Det som Navy Research Lab-ingenjörerna strävar efter är en mindre, tystare och mer smidig robot, en som inte kräver två spännande unga marinor för att ställa in den för att kontrollera potentiella faror. Men att bygga MeRLIn är inte så enkelt som att bara skala ner alla delar för att skapa en robot som kan passa in i en soldats ryggsäck. Det är också en process att förstå hur och varför vissa gångarter fungerar, varför dessa gångarter passar för olika terräng och hur man bygger en robot som kan lära sig att anpassa sig och välja rätt.

När han anlände till MeRLIns bänk, satte Controls Engineer Joe Hays in flera testkommandon till en dator, vilket gjorde robotens ben ryckande och ryck. Efter att han tog bort stödstaget, höll MeRLIns enda ben upp sin tegelstorlek under sin egen kraft, nu laddad med hydraulvätska.

Ögonblick senare, med ett blixtnedslag, lanserade benet merRLin nästan tre meter i luften, styrd upp och tillbaka till bordet med dess vertikala metallskena. Genom att upprepa denna övning tre gånger till, träffade roboten taket i dess skyddande hölje efter ett sista, kraftfullt hopp, landade så kraftigt att benet kollapsade.

"Det finns mycket där ute som vi fortfarande inte vet om djurens rörelse, ärligt talat, " sade Henshaw. "Och vi förstår verkligen inte det neuromuskulära systemet så bra som vi vill. Vi försöker bygga något utan att veta exakt hur det ska gå."

Teamet arbetar fortfarande med några ytterligare problem med hydrauliken men har hittat god framgång med en adaptiv algoritm som undersöker och korrigerar för osäkerheter i hårdvarukretsen med en hastighet en gång per millisekund. De förväntar sig att det ska försöka hoppa från marken till ett skrivbord inom flera månader.

Vid University of Pennsylvania är Avik De och Gavin Kenneally's Minitaur en ny, nyligen super-liten, lätt fyrdubblad, skapad under ledning av Dan Koditschek. Väger knappt 14 kilo, har deras lilla bot en förtjusande, gränsande gång. Älskling vänder sig dock snabbt till att undra när du tittar på videor om deras skapande klättra uppför trappor, klättra på staket och hoppa för att lossa ett dörrhandtag.

Foto: Courtesy Ghost Robotics

De och Kenneally skar drastiskt av huvuddelen av sin bot med att använda fria svängande, direktdrivna ben istället för traditionella växeldrivna ben. Motorerna fungerar som återkopplingssensorer till robotens programvara och detekterar och justerar vridmomentet de levererar 1 000 gånger per sekund. Resultatet är en robot som kan binda långsamt eller snabbt, klättra uppför trappor och hoppa upp och svänga en uppsättning ben runt för att haka ett dörrhandtag för att öppna det.

Även om det fortfarande är långt ifrån autonoma, saknade sensorer och styrsystem som skulle möjliggöra det fria räckvidden, visar Minitaurs unika, justerbara pogo-stick-action att smidighet är möjlig även utan stora, kraftfulla drivmekanismer. Det är också tillverkat av kommersiellt tillgängliga delar.

"Det är uppenbart att det finns massor av motivation för att ha ben, men teknikens nuvarande tillstånd är inte tillräckligt moget och oöverkomligt dyrt, " sade De och hänvisade också till Boston Dynamics 'Atlas-robot - mer än kapabel, men proprietär och dyr, så inte lätt replikeras. "Vi ville göra en robot som var tillgänglig för andra människor så att de kunde försöka implementera plattformen för sina egna applikationer."

Slithery Solutions

Howie Choset är rädd för ormar genom sin egen erkännande. Det är då fantastiskt ironiskt att hans mest kända verk bäst kan beskrivas som snaklik.

Choset, docent vid Carnegie Mellon University i Pittsburgh, har arbetat med ormrobotar sedan han var en doktorand, och han har gjort en upplevelse. Han driver CMU: s Robotics Institute - ett labb där många av de skapade skapelserna har upprepade kroppssegment av ormar. Han är också redaktör för den nyligen debuterade Science Robotics- tidskriften och har författat en lärobok om principerna för robotrörelse.

Och bara för att hålla sig upptagen grundade han också två företag: Hebi Robotics and Medrobotics. Den senare avancerade endoskopiska kirurgiska verktyget, Flex Robotic System, fick FDA-godkännande 2015 för användning. Även om Choset nu inte längre är formellt anslutet till Medrobotics, sade han att att titta på en liveoperation där roboten användes var höjdpunkten i hans yrkeserfarenhet.

Foto: Med tillstånd Howie Choset

Choset avvisar om Flex var inspirerad av ormar; han sa att robotens serpentinform var utformad med vridningar av det mänskliga inre rymden i åtanke. Men annat, nyare arbete har med säkerhet inneburit att titta på ormar och modellera robotar efter dem, särskilt genom samarbete med Georgia Techs Dan Goldman, en fysiker vars forskning inom biomekanik har lett till skapandet av robotar inspirerade av krabbor, havssköldpaddor., kackerlackor, lera skippare och sandfisk.

Choset erkänner också påverkan från en av de ursprungliga pionjärerna inom bioinspirerad robotik, Robert Full, som driver UC Berkeleys Poly-Pedal-labb. Genom att studera hur kackerlackor rör sig och hur geckor klättrar vertikala ytor försöker Full, Choset och andra att koka dessa hemligheter till allmänna designprinciper som kan tillämpas på nya sätt.

"Bör vi kopiera biologi? Nej. Fråga en biolog för det, " sa Choset. "Vad vi vill är att körsbär välja de bästa principerna och gå därifrån."

Tillsammans studerade Choset och Goldman, tillsammans med Zoo Atlantas Joseph Mendelson, rörelserna för sidewindarslangar och karaktäriserade i slutändan deras skarpa vändningar som en serie formförskjutande vågor. Tillämpar den kunskapen på programmeringen för sina robotormar, kunde Chosets team få dem att klättra över sandhögar, en tidigare omöjlig uppgift. Att förstå hur ormar förändrar sin kroppsform för att ta sig runt har också gjort det möjligt för Choset att bygga ormrobotar som kan slå upp stolpar och insidan av dörröverdrag, något som han föreställer sig vara mycket användbart för att utforska farliga inredningar - säger ett kärnkraftverk eller otillgängliga gränser för en arkeologisk plats.

"Jag är ödmjuk av det faktum att biologi är så komplex och bara kan hoppas ta lite av det och lägga in det i våra robotar, " sa Choset. "Men vi replikerar inte djur till den fina graden och förmågan som djuren har. Det vi vill är att bygga mekanismer och system som har stora kapaciteter."

Hans beskrivning av sina egna framsteg och sina elevers prestationer och upptäckter som ganska serendipitous gäller också hur robotar som dessa kommer att dyka upp i världen när de mognar. Långsamt, i små steg, kommer forskningen dit, sa han.

"Evolution är också slumpmässigt", hävdade Choset. "Det finns ingen tipppunkt, bara en sekvens av utvecklingen som sett från utsidan ser ut som ett stort genombrott."

En kritisk övergång

I huvudsak kan ingenjörer inte förväntas veta hur biologi fungerar, vilket gör samarbeten mellan ingenjörer och biologer kritiska. Vid University of Chicago ledde biologen Mark Westneat studier av brott, en klass av fisk, till ett samarbete med marinen, vilket resulterade i en långsam rörelse men smidig undervattensdrön som kan sväva på plats. Känd som WANDA (som står för "Wrasse-inspirerad Agile Near-shore Deformable-fin Automaton") kommer drönare som dessa att vara användbara för inspektioner av fartygsskrov, bryggor och oljeriggar.

Höghastighetsfotografering var central i ansträngningen för nästan 20 år sedan, när Westneat först började göra bildstudier av brottarna och innan marinen blev intresserad av arbetet. I en flödesbehållare med konstant ström, som Westneat kallar ett "löpband för fisk, " simmar brott med glädje och använder bara sina bröstfenor för att bibehålla en fast position i tanken medan höghastighetskameror fångar varje detalj i den rörelsen på 1 000 bildrutor per sekund.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Kombinerat med biologernas mycket detaljerade kunskap om fiskens anatomi - hur dess finstrålar fäster vid sina muskler, hur nervändarna i finnmembranen relä spänningar och spänningar - möjliggör fotograferingen en djup kunskap om hur exakt bränslen driver sig genom vattnet med vridning och vridning av deras karakteristiska pingvinliknande flappande slag. Wrasse förmåga att väsentligen sväva på plats och samtidigt hålla kroppen kvar i även i starka eller svängande strömmar gör den till en idealart att modellera för en ny typ av smidig undervattensfordon, säger Jason Geder, en ledande ingenjör på WANDA-projektet vid NRL.

"Traditionella propeller- eller thrusterdrivna fordon har inte den typen av manövrerbarhet eller har för hög svängradie, " sade Geder. "Det här var en bra fisk att modellera, för om vi ville ha ett styvt skrov för nyttolast i fordonets centrum kunde vi få liknande prestanda bara genom att använda den här typen av ryggfinsrörelse."

Westneat anser att nyare fotografisk 3D-kapacitet kan främja forskningen ytterligare. "För fisken är det liv eller död, men för oss kan en bättre förståelse av effektiviteten innebära bättre batterikraft, " sade Westneat. "Vi skulle verkligen vilja efterlikna membranernas underliggande skelettstruktur och mekaniska egenskaper och se om vi kan få superhög effektivitet."

Museers biologiska samlingar är en annan rik och underutnyttjad resurs för forskare. Smithsonian har till exempel nästan 600 000 exemplar i sin ryggradssamling ensam, och Virginia Techs Rolf Müller har utnyttjat dessa anläggningar för sitt arbete med flaggermusinspirerade drönare. Med hjälp av 3D-genomsökningar av fladdermusöron och näsor från Smithsonian har Mueller skapat liknande strukturer för sin flygande robot för att hjälpa den att rapportera feedback genom sina zip-line-guidade testkörningar.

"Du har dessa miljoner exemplar uppradade i lådor, som du kan komma åt mycket snabbt, " sa Müller. Han har varit involverad i skapandet av ett konsortium av museiprofessorer och forskare för att göra samlingar som dessa över hela landet mer tillgängliga för bioinspirerade framsteg.

Och oavsett om källan simmar i en tank eller ligger i en förvaringslåda, är det fortfarande en utmaning att översätta dessa data till en användbar form. "Din typiska ingenjör vill ha specifikationer, men biologen kanske ger dem anatomiska ritningar, " sa Westneat.

Det var inte förrän han själv började gå till några av dessa tekniska samtal att han insåg att hans arbete kunde tillhandahålla mekaniska data om fiskens rörelser som kunde översättas till motorkraft och krafter, dataingenjörer måste producera en fungerande maskin. "Det är de saker som det naturliga valet kan agera på, men de gör också skillnaden mellan det autonoma fordonet som gör det tillbaka till fartyget eller inte."

Tillbaka till skolan

Lärande, minne och anpassning är helt andra utmaningar. Tillbaka på marinens konverterade lager är MeRLIn-teamet fortfarande främst engagerat i problemen med miniatyrisering. Men de är alltför medvetna om att roboten de ser för sig inte skulle vara komplett utan förmågan att lära sig, komma ihåg och anpassa sig.

Henshaw, som uppfostrar får hemma när han inte är på labbet, sa att man tittade på nyfödda lamm går från en fuktig hög till promenader på några timmar understryker svårigheten att konstgjorda den processen. "Det finns ingen som verkligen förstår hur det fungerar, " sade Henshaw om de neurala förändringar som krävs av lamm för att kontinuerligt anpassa sin rörelse till snabba kroppsmasseförändringar när de växer till får. En strategi som hans team tar för att hantera den strategin är att skriva programvara som gör att de kan ändra hur MeRLIn-gångar genereras.

Separat är Henshaw en del av ett annat projekt för att utveckla ett biologiskt inspirerat inlärningssystem. Han visade mig en video av ett robotben som sparkade en boll i ett litet fotbollmål. Efter tre programmerade spark sparkar benet bollen på sig själv 78 gånger, systematiskt väljer man sina egna mål och håller reda på dess framgångar och misslyckanden. Ytterligare förfinad och tillämpad på en robot som MeRLIn, kod som denna skulle göra det lättare för en gångrobot att anpassa sig till olika nyttolastvikter eller benlängder, till exempel.

"Många projekt har ekvationer som räknar ut hur man kan optimera tyngdpunkten eller rörelsen genom stora matematiska ekvationer i realtid, " sade Henshaw. "Det fungerar, men det är inte exakt biologiskt. Jag kan inte hävda att algoritmen jag har skrivit är exakt vad som händer i hjärnan, men det verkar som något som måste pågå. Människor lär sig att klättra i träd och sparka bollar genom övning, inte numerisk optimering."

Djupt inlärning och tillgång till insamlad kunskap skulle förmodligen påskynda denna process, tillade Henshaw, men där igen, hårdvaran är inte robust eller tillräckligt liten ännu för att passa in på något så diminutivt som MeRLIn. "Om du vill ha dessa små robotar är det inte så mycket att vi måste förbättra algoritmerna men hårdvaran de kör på, " sade han. "Annars kommer det att ta en dator som är för stor, med batterier som är för stora och den fungerar bara inte."

En tillväxtmarknad

Genvägarna som biologin ger för att skapa innovativa kroppsplattformar och rörelsestrategier kan också hjälpa till att göra biologiskt inspirerade robotar mer ekonomiskt hållbara. Choset är inte den enda akademiker som har startat ett företag som hjälper till att främja praktiska applikationer för sina skapelser; i själva verket marknadsför Eelume, grundat av den norska universitetet för vetenskap och teknik, robotikprofessor Kristin Ytterstad Pettersen, för närvarande sin egen robot-simmarorm för undersöknings- och inspektionsuppgifter under vatten Och De och Kinneally grundade Ghost Robotics, ett företag för att marknadsföra Minitaur.

Stora privata företag kommer också in på spelet. Boston Engineering håller på att slutföra demonstrationer av löpande fält med sin marininspektionsrobot, kallad BioSwimmer. Denna bot är inte bara inspirerad av en tonfisk - hela ytterkroppen är baserad på skanningar av en fem meter lång blåfenad tonfisk som fångades nära företagets kontor i Waltham, MA. Och som med en levande tonfisk, kommer framdrivkraften från svansen, vilket gör att fordonets främre hälft kan staplas med sensorer och nyttolaster. Målet var dock inte att efterlikna en tonfisk utan att utnyttja djurets effektivitet och höga prestanda.

Mike Rufo, chef för Boston Engineering: s avancerade systemgrupp, sa att de biologiska aspekterna av designen inte gjorde det lättare att bygga ut, men det lägger inte heller till extra svårigheter. Rufo hävdar att företaget byggde BioSwimmer (som är fem fot långt och 100 pund) för ungefär samma kostnad som liknande projekt - cirka 1 miljon dollar - och att det kommer att prissättas på liknande sätt som andra fordon i sin storlek. Men effektivitetsrörelser som tillhandahålls av den tonfiskinspirerade framdrivningsstrategin gör att den kan arbeta längre på vanliga kraftkällor.

"Det finns några tekniska hinder som är i vårt sätt, tillsammans med bioinspirerad robotik, " sade Rufo. "Men bioinspiration erbjuder möjligheter att ta itu med dem direkt eller förbättra prestanda på ett sätt som minskar effekterna av dessa utmaningar. Till exempel, trots några riktigt coola framsteg inom batteriteknologi, är vi på en platå med hur mycket energi du kan integrera i något av en viss storlek. Men om du kan hantera ett systems effektivitet, kanske inte batteriet påverkar dig så mycket. Det är ett område där bioinspiration spelar en stor roll. " Fortfarande tror han att robotar som dessa inte kommer att vara vanliga, i försvarsapplikationer eller på annat sätt, åtminstone de kommande fem till tio åren.

Oavsett de monumentala utmaningar som måste övervinnas innan vi inte har alltför läskiga robothjälpare i vår vardag, har stora framsteg gjorts även under de senaste åren mot att innesluta vad biologi och evolution har gjort klart: organismernas bländande förmåga att anpassa och prestera.

"Det verkar ibland Sisyfean, ja, " sa Westneat. "Jag ser på dessa vattenlevande robotar, och de verkar klumpiga för mig; men då är jag van vid att se dessa graciösa djur simma genom ett korallrev. Men det är inte för upprörande att tro att ingenjörerna och biologerna kan träffas och skapa robotar som du kastar i vattnet som simmar av sig själva. Allt är spännande."