Dabas spēki

Sangbae Kim pazīstamākais radījums, kas novietots virs skrejceliņa Biomimetic Robotics Lab vidū, gaida savu nākamo testa braucienu. Cheetah III ir savienojumu, ķēžu un elektromotoru kopums. Tāpat kā dzīvnieks, kuram ir tāds pats vārds, četrkājainais boks sver aptuveni 90 mārciņas, un tas ir ātrs un kompetents. Izstrādāts, lai lēktu pāri šķēršļiem un izbrauktu sarežģītās vidēs ar ātrumu līdz 3 metriem sekundē jeb 6,7 jūdzēm stundā, Cheetah III ar minimālu uzraudzību var doties gandrīz visur, kur vien var iet cilvēks, saka Kims.

Šobrīd vajag aizsardzību no paparaci, ja ne citādi. Lai gan tiem trūkst tādu īpašību kā kažokādas un ausis, gepardu robotprogrammatūra saglabā zīdītāju harizmu. Kad cilvēks dodas ārā — lai rikšotu pa Masačūsetsas avēniju vai aplēktu MIT futbola laukumu —, tas mēdz piesaistīt pūli. Kim’s Ice Bucket Challenge videoklipā, kas uzņemts 2014. gadā, kāda agrāka Cheetah modele nozog šovu, sitot pāri spainim. Laboratorijas locekļi ir aplīmējuši 5-017 logus, lai viņi varētu paveikt darbu.

Mašīnbūves asociētais profesors Kims idejas smeļas no dabas. Viņš saka, ka bioloģija mūs virza uz to, kas var būt iespējams. Tas viņam ir palīdzējis izgatavot mašīnas, kas pārvietojas kā kukaiņi, ķirzakas un kaķi, nemaz nerunājot par to, ka tās ir ieguvušas simtiem tūkstošu YouTube skatījumu. Bet viņš nevēlas pie tā apstāties. Kimas jaunākais pētījums ir balstīts uz īpaši iedvesmojošu dzīvnieku: cilvēku.

Kājas atkārtota izgudrošana
Biomimētisko robotu laboratorijā 5. ēkas pagrabā Cheetah III ieskauj pazīstamākas mašīnas. Kimas laboratorija darbojas kā neliela ražošanas iekārta ar 3D printeriem, lāzera griezēju, urbjmašīnu un CNC frēzmašīnu. Lai gan lielākajā daļā robotikas laboratoriju tiek izmantotas saliekamās detaļas, Kims dod priekšroku DIY pieejai. Mēs pamatā veidojam visu, kas mums ir, viņš saka.

Tas ir saprātīgi, veidojot un izmēģinot jaunu mehānisku veidu: smagas vingrošanas dienas laikā gepards izmantoja veselu poliuretāna ķepu spilventiņu komplektu. (Tagad tā vietā ir gumijas.) Bet vēl svarīgāk ir tas, ka DIY pieeja ļauj komandai sākt no nulles, neierobežojot standarta aparatūrā iebūvētos pieņēmumus. Tas, kā tas pārvietojas, patiešām atšķiras no vairuma robotu, jo mēs faktiski izstrādājām savu sistēmu paši, saka Kim.

Lielākā daļa Cheetah vienaudžu ir optimizēti rūpnīcām. Viņi ražo robotus, kas ir radīti, lai atkal un atkal veiktu vienus un tos pašus uzdevumus neatkarīgi no tā, vai tā ir paletes iepakošana vai skrūves ieskrūvēšana. Tie ir daudz ātrāki, precīzāki un konsekventāki nekā cilvēki, saka Kims. Bet viņi faktiski nesadarbojas ar savu vidi vai objektiem, kā mēs.

Lai demonstrētu, Kims veic klasisku cilvēka darbību: paņem no galda klēpjdatoru. Viņš ir karikatūriski neveikls — viņa apakšdelmi atsitās pret galda virsmu, un viņa rokas atsitas pret ekrāna malām, taču gan cilvēks, gan klēpjdators paliek neskarti. Tad viņš to noliek atpakaļ un atdarina, kā rūpnīcas robots veiktu to pašu uzdevumu. Šoreiz viņš ar lielu koncentrēšanos slīd ar rokām, palēninot ātrumu. Kamēr viņš patiešām sasniedz objektu, viņš tikko kustas.

Jūsu staigāšana ir miljons reižu pārsteidzošāka nekā reaktīvo iznīcinātāju lidošana.

Viņš saka, ka cilvēks var vienkārši satvert lietas sekundē vai ātrāk. Bet robots? Tam jābūt lēnam, jo ​​tas nevar sadurties. Tā pati stingrība, kas padara rūpnīcas robotu konsekventu, neļauj tam droši absorbēt trieciena radīto enerģiju. Tā vietā šī enerģija to sagrauj vai ar ko tā mēģina mijiedarboties. Šis ierobežojums ir kropļojošs mašīnām, kuras vēlas, teiksim, staigāt: galu galā katrs solis ir sadursme, saka Kims. (Transportlīdzekļiem ir arī grūtības tikt galā ar zemi. Kā norāda Kims, lidmašīnām un laivām ir gaisa un jūras kustība, taču mums ir nācies izlīdzināt ceļu sauszemes transportam ar ceļiem un dzelzceļa sliedēm.)

Sangbae Kim pirmajam Geparda prototipam bija galva, mugurkauls un aste. Jaunākais skrien kā gepards, bet vairs neizskatās pēc dzīvnieka, viņš saka.

Kad cilvēki mēģina izveidot robotus, kas staigā un skrien, viņi bieži sāk ar tiem pašiem elementiem, ko izmanto rūpnieciskajos robotos. Piemēram, kad ir pienācis laiks izvēlēties izpildmehānismu — mašīnas daļu, kas enerģijas avotu pārveido kustībā —, tie tiks apvienoti ar hidraulisko: spēcīgs un precīzs, bet ļoti stīvs un nespēj absorbēt triecienus. Viņi novietos izpildmehānismu robota gurnā un spēka sensoru pie pēdas. Kad robots iet, spēka sensors nosaka, cik smagi tas atsitas pret zemi, un paziņo izpildmehānismam, kas attiecīgi pielāgojas.

Tomēr kopumā šī stratēģija nedarbojas pārāk labi. Jūs jūtat spēku šeit [kājā], bet jūsu izpildmehānisms ir tālu un pārāk lēns, skaidro Kima. Pa vidu ir diezgan daudz masas un dinamikas… tas ir nestabils. (Viņam patīk iemest šo punktu ar supercut no 2015. gada DARPA Robotics Challenge, kurā virkne dārgu, iespaidīga izskata divkāju robotu apgāžas kā nomierināti terminatori.)

Tāpēc Kims nolēma sākt no jauna, izstrādājot jauna veida izpildmehānismu ar dažādām prioritātēm. Viņa izpildmehānisms ir tievs un vidējs — tam ir augsts griezes moments, tāpēc tas var radīt lielu rotācijas spēku, taču to darbina viegls elektromotors ar minimālu rotācijas inerci, kas ļauj ātri mainīt griešanās ātrumu. Viņš saka, ka pārējā geparda kāja ir veidota tā, lai tā būtu pēc iespējas vieglāka un ar mazāku berzi.

Tā kā kāja ir izdilis un viegla, izpildmehānisma radītais spēks tikko nemainās, kad tā nonāk līdz pēdai, padarot spēka sensoru nevajadzīgu. Tas nodrošina gepardam ātrākus refleksus: tas var mainīt pieliktā spēka daudzumu aptuveni 50 reizes ātrāk nekā roboti, kas izmanto gan izpildmehānismus, gan spēka sensorus.

Neveiklākam robotam ir nepieciešama visa datu cilpa, lai tas varētu saprast, cik smagi tā kāja tikko atsitās pret ietvi un kas tam būtu jādara tālāk. Bet, kad gepards piezemējas, lecot pāri šķērslim, pēdas kontrolē nepieciešamos spēkus, lai līdzsvarotos un atgūtos uzreiz pēc sadursmes ar zemi, stāsta Kims. (Dizains var arī daudz vieglāk absorbēt enerģiju — kad pēda atsitas pret zemi, trieciena spēks virzās atpakaļ augšup pa kāju un uz izpildmehānismu, uzlādējot motoru, nevis to salaužot.)

Tā vietā, lai sajustu spēku, gepards koncentrējas uz to, lai noskaidrotu, kur tas atrodas kosmosā. Savienojumu pozīcijas sensori, akselerometri un žiroskopi nepārtraukti ievada datus algoritmu komplektā, kas darbojas, lai noteiktu, kad un cik smagi katra kāja, visticamāk, nākamreiz atsitās pret zemi. Kad geparda pēda uzkāpj uz kaut kā negaidīta, piemēram, akmens, kas liek tā ķermenim sasvērties, šī informācija palīdz robotam izlemt, vai turpināt soli vai atkāpties. Ja tas apņemas veikt kādu soli, tiek iedarbināts cits algoritms, lai prognozētu, cik liels spēks jāpieliek, lai tiktu pāri objektam, vai kāds kompensējošais spēks ir nepieciešams, lai pielāgotu tā līdzsvaru, ja tas tiek grūdināts.

Šis prioritāšu kopums ir ļāvis gepardam darīt lietas, ko vairums citu robotu nespēj, piemēram, rikšot un lēkt. Tas ir arī ārkārtīgi efektīvs — tas patērē enerģiju tikai nedaudz mazāk saprātīgi nekā īsts gepards, izvirzot to par līgām priekšā citiem robotiem. Tas pat var manevrēt apkārtējā vidē bez kamerām. Vienā spolī akls Gepards skrien pāri grants laukumam, uzkāpj pa kāpnēm un vairākkārt piedod sev tiesības, laboratorijas darbiniekam bakstām to ar nūju. Kims savu pieeju sauc par proprioceptīvo iedarbināšanu pēc sestās maņas, kas ļauj cilvēkiem apzināties mūsu ķermeņa stāvokli kosmosā.

Lai sasniegtu šādu stabilitāti, ir jāupurē zināma precizitāte — mums pastāvīgi ir 10% vai 15% [spēka kontroles] kļūda, saka Kims. Lai gan tas var neapmierināt dažus inženierus, gepards ir tik viegls un enerģiju absorbējošs, ka kopumā var izturēt kļūdu biežumu pat ar smagiem skriešanas un lēkšanas triecieniem.

Lai dzīvo radību uzvedību pārvērstu mehāniskos terminos, ir nepieciešams daudzslāņains domāšanas veids. Ikviens robotikā ir ļoti koncentrējies uz savu mazo jomu — ir daudz programmatūras grupu, kas domā, ka visu var atrisināt ar kodu, vai aparatūras grupas ar aparatūru, saka João Ramos, PhD '18, viens no laboratorijas pēcdoktiem. Sangbae ir integrēts skats. Ja vēlaties atrisināt problēmu, jums par to ir jādomā koncepcijas līmenī, aparatūras un programmatūras līmenī.

Šī paradigmas maiņa bija iespējama, jo esmu mehāniķis, piekrīt Kims. Es domāju par stingru ķermeņu dinamiku, nevis [tikai] rakstīšanas programmatūru. Vairāki uzņēmumi, tostarp Boston Dynamics, tagad izmanto viņa izpildmehānisma dizainu arī savu robotu daļās.

Kāpšana augšā
Kims ieradās meklēt jaunus veidus, kā rīkoties, augot Seulā, Dienvidkorejā, dzīvojot nelielā telpā bez daudziem resursiem vai darbnīcas. Es uzbūvēju daudzas lietas, viņš saka. Es atradu visus iespējamos veidus, kā izveidot savus rīkus. Viņš izjauca sadzīves tehniku, lai redzētu, vai var tās atkal salikt kopā. Kad viņa draugi brauca apkārt ar savām radiovadāmajām automašīnām, viņš uzlika vēderu un pamāja ar to.

Būdams Seulas Jonsei universitātes students, viņš izstrādāja tolaik pasaulē lētāko 3-D skeneri. (Viņš arī pildīja savu obligāto amatu Dienvidkorejas armijā, viņa teiktā, ka šī pieredze pastiprināja viņa nepatiku pret birokrātiju.) Viņš pievienojās jaunuzņēmumam, kas komercializēja skeneri, taču drīz pēc pirmā prototipa izstrādes saprata, ka dod priekšroku izgudrošanai, nevis precizēšanai. un nolēma atgriezties akadēmiskajā vidē.

Kad viņš 2002. gadā nokļuva Stenfordā, lai iegūtu pamatskolu, viņš vēlējās turpināt darbu aparatūras projektēšanas jomā, taču saprata, ka daudzi uzdevumi, kas kādreiz prasīja ķerties pie kustīgajām daļām, tagad tiek veikti datoros. Ko nevar aizstāt ar elektroniku? viņš saka. Ja jums ir jāstrādā pie kaut kā, kas fiziski mijiedarbojas ar vidi, to nevar aizstāt ar koda daļu vai mikroshēmu… Tāpēc es iegāju robotikas pasaulē.

Kima pievienojās Marka Kutkoska biomimētikas un veiklības manipulāciju laboratorijai Stenfordā. Viņš saka, ka mani fascinēja tas, kā dzīvnieki pārvietojas. Es koncentrējos uz principu 'Ak, tas ir kaut kas dzīvniekos — atkārtosim to.' Viņš strādāja pie zirnekļveidīgas kāpšanas mašīnas un prusaku iedvesmotu robotu bara, kas varēja darboties paši. Vēlāk, būdams pēcdoktors Hārvardā, viņš uzbūvēja autonomu robotizētu slieku. (Tas pārvietojas, saspiežot savus segmentus, reaģējot uz elektrisko strāvu, un tas ir pietiekami mīksts, lai izdzīvotu, ja tam uzkāpj.)

Bet viņa pirmais lielais izrāviens bija Stickybot, robots, kas spēj mērogot sienas kā gekons. Tāpat kā geparda kājas, arī gekona pēdas paveic divas sarežģītas lietas vienlaikus: tās var pieķerties pie sienas ar lielu spēku, bet tās var arī ļoti ātri no tās atdalīties. Ja domājat par kāpšanas tērpa veidošanu — ja jums ir ļoti lipīgas rokas, varat uzkāpt pa sienu, bet, ja jūsu rokas ir tik lipīgas, jūs to nevarat iegūt. izslēgts siena, saka Kima. Bet gekoni skrien augšā.

Mini Cheetah — mazāks, drošāks un veiklāks gepards ir paredzēts pētniecībai un izglītībai. Dati tiek vākti, izmantojot saiti, un vadības algoritmus var mainīt tādā pašā veidā.

2006. gadā Kellārs Autumns, Lūisa un Klārka koledžas biologs, publicēja rakstu, kurā precīzi aprakstīts, kā gekoni to pārvalda. Galvenais ir sīkos matiņos uz pēdām, kas ir veidoti tā, lai tie pielīp tikai tad, ja tos velk vienā virzienā. Kims izmantoja šo principu, lai izveidotu Stickybot un līmi, ko viņš sauc par gekonu lenti. Tas, iespējams, joprojām ir mans mīļākais projekts zinātnes ziņā, viņš saka. Mēs izstrādājām jaunu materiālu — jaunu koncepciju, kas nepastāvēja, pirms mēs sapratām gekonu.

2009. gadā Kims pievienojās MIT fakultātei, un gadiem ilgi viņš bieži tikās ar Rodniju Brūksu Starbucks, lai mētātos ar idejām. (Brukss, bijušais CSAIL direktors, 2008. gadā nodibināja Rethink Robotics.) Viņš domā plaši, Brūks saka, un izmēģina lietas, kas varētu nobiedēt citus cilvēkus. Brūkss atgādina, ka 2017. gada Amazon konferencē Kims nolēma izdomāt, kā dot geparda runas komandas, izmantojot Amazon Echo. Kad viņa demonstrācija parādījās aptuveni nākamajā rītā, viņš pirmo reizi varēja runāt ar savu robotu, viņš saka. Tas bija drosmīgs gājiens.

Kims ieguva pilnvaras 2016. gadā, un katru otro gadu viņš māca 2,74 (Bio-Inspired Robotics), par ko studenti ir izgatavojuši robotprogrammatūras, kas šūpojas kā pērtiķis vai lec kā ķengurs. Viņš arī līdzpasniedz 2.007 (dizains un ražošana). Stāvokļainā robotikas dizaina nodarbība beidzas ar tematiskām sacensībām, kas vienmēr piesaista pūli, un Kims un viņa līdzinstruktors Amoss Vinters, SM '05, PhD '11, ietērpjas kostīmos, lai to izceltu. Pagājušajā gadā Kima spēlēja Villiju Vonku. Daudzas no augsta līmeņa lekcijām, ko viņš lasīja, bija par to, kā smelties iedvesmu no dabas, atceras Selams Gano '18, kurš apmeklēja biomimētikas kursu 2017. gadā. Viņš teiks tādas lietas kā 'Kad jūs pametīsit šo nodarbību, es vēlos, lai jūs vienkārši skaties uz savu roku un saki: Oho, tas ir neticami!”… Viņš patiešām visus inficē ar to, cik sajūsmā viņš ir.

Nospiediet to līdz robežai
Dažreiz jūs nezināt, cik kaut kas patiesībā ir neticams, līdz tas pārstāj darboties. Piemēram, pirms aptuveni 15 gadiem Kimam pārrāva Ahileja cīpslu. Tas viņu aizrāva: protams, viņš tajā laikā spēlēja basketbolu, bet nedarīja neko iedomātu. Es tikai gāju, viņš saka. Tas bija dīvaini. Viņa ārsts noteica viņam sešu mēnešu atpūtu uz dīvāna.

Kima, kura kopš tā laika ir pārgājusi uz tenisu, nav dīvāna atpūtas cienītāja. Tomēr viņam šī pieredze šķita apgaismojoša. Viņš saka, ka jūsu muskuļi ir pietiekami spēcīgi, lai visu laiku izrautu cīpslas un izmežģītu locītavas. Mūsu nervu sistēmas vienmēr rūpīgi pielāgo jums ģenerējamā spēka daudzumu. Kaut kā viņa ķermenis to bija apiets, un viņš bija pārkāpis savas robežas. Bet lielāko daļu laika mēs aizsargājam sevi. Atšķirībā no tiem neveiklajiem DARPA Challenge robotiem, mums izdodas gan jauda, ​​gan kontrole.

Es koncentrējos uz principu 'Ak, tas ir kaut kas dzīvniekiem — atkārtosim to.'

Turklāt mēs to darām, pat nedomājot par sienu, piemēram, gekoniem. Jūsu staigāšana ir miljons reižu pārsteidzošāka par reaktīvo iznīcinātāju lidošanu, saka Kima, izpētot mūsu zemapziņas prasmju sarakstu. Mēs varam atvērt durvis, nezaudējot līdzsvaru. Mēs varam skriet pa ielu, kamēr esam apjucis. Mēs varam ēst brokastis, kamēr mēs turpinām sarunu, un mēs nedomājam: 'Ak, es pārvietoju šo mazo kartupeļu kunku atpakaļ uz zobu kreiso pusi, lai zobi varētu to sasmalcināt saprātīga izmēra gabaliņos.' ' viņš saka. Mēs pārāk daudzas lietas uzskatām par pašsaprotamām!

Mums, iespējams, nekad nebūs vajadzīgs robots, kas košļā. Bet, ja mēs vēlamies tādu, kas lieliski noturas taisni, tas varētu palīdzēt izmantot mūsu pašu spējas — kā to dara kāds cits Kimas projekts. HERMES (kas apzīmē ļoti efektīvus robotizētus mehānismus un elektromehānisko sistēmu) ir robots ar diviem kājām, kas izmanto tos pašus unikālos izpildmehānismus kā Gepards. Bet tā vietā, lai pilnībā darbotos atsevišķi, to kontrolē cilvēks, izmantojot to, ko Kim sauc par līdzsvara atgriezeniskās saites saskarni.

Lai vadītu HERMES, cilvēks-operators valkā īpašu kustības detektora vesti un stāv uz platformas ar iebūvētiem spēka sensoriem. Izsekojot un pārsūtot kustības datus abos virzienos, izmantojot vadus, veste un platforma veido pieredzes saikni starp cilvēku un robotu. Pieņemsim, ka HERMES ir jāatver smagas durvis. Cilvēka operators veic stumšanas kustību, un robots seko viņa piemēram. Kad HERMES atsitas pret durvīm, cilvēks sajūt triecienu un attiecīgi pielāgo savu līdzsvaru. HERMES veic tādas pašas korekcijas un izvairās no apgāšanās. Algoritmi pielāgo attiecīgos spēkus tā, lai cilvēks, kurš valkā vesti, varētu vadīt mazāku robotu vai četrkājaino.

Tādā veidā sistēma ļauj gan cilvēkam, gan robotam izmantot savas stiprās puses situācijā, vienlaikus samazinot savas vājās puses. Cilvēki ir gudri, labi līdzsvaro un labi manipulē, taču mēs esam diezgan trausli. Roboti ir spēcīgi un izturīgi, taču tiem ir nepieciešams daudz virzības. Kims vēlas apvienot šo tehnoloģiju ar gepardu, nomainot vienu no tā kājām ar proprioceptīvu robotu, pie kuras viņš strādā. Roka savienojas ar cilvēku ar mašīnu smalkākā mērogā, ļaujot operatoram sajust, kas notiek, kad robots satver virvi vai pagriež durvju rokturi.

Viņš iedomājas, ka pirmais reaģētājs izmanto šos rīkus, lai izpētītu bīstamu zonu. Jums ir [VR] brilles un, iespējams, balss komanda: 'Gepard, dodieties uz 507. istabu,' viņš saka. Gepards ātri dodas uz turieni, pārvietojoties efektīvi un izvairoties no gružiem. Tas atrod savu mērķi: Ak, ir gāzes noplūde, un jums ir jāaizver šis vārsts. Pēc tam robots var stāvēt uz trim kājām, kad cilvēks manipulē ar ceturto kāju, kas vienlaikus darbojas arī kā robota roka, lai regulētu vārstu.

Šī ir mana lielā vīzija: cilvēka līmeņa mobilitāte, galvenokārt autonoma, un manipulācijas galvenokārt veic cilvēki, saka Kims. Šīs trīs sastāvdaļas galu galā ļaus mums to izdarīt. Kad viņi varēs, viņš piebilst, pavērsies vairāk iespēju. Kims var attēlot savus robotus veco ļaužu mājās, kurus vajadzības gadījumā attālināti aktivizē cilvēks vadības telpā: tie varētu nodrošināt gan palīdzību, gan privātumu cilvēkiem, kuriem nepieciešama palīdzība, bet kuri joprojām vēlas dzīvot paši.

Vai varbūt viņa gepardu roboti veiks bīstamu roku darbu, ko vadīs kvalificēti darbinieki, kas atrodas drošās vietās tuvumā. Viņš prognozē, ka pēc diviem līdz trim gadiem Cheetah III varēs pārvietoties ar radiāciju piepildītā spēkstacijā; pēc desmit gadiem tās pēctecim vajadzētu būt spējīgam veikt fiziski smagāku darbu, piemēram, manipulēt ar gružiem. Un pēc 15 līdz 20 gadiem, viņaprāt, tas varētu iekļūt degošā ēkā un izglābt cilvēkus.

Bet Kims ir pārstājis koncentrēties uz citu radījumu kopēšanu. Kad es pirmo reizi iedomājos, ka mans robots skrien un lēca kā gepards, es vienmēr domāju par šo skaisto ķermeņa izliekšanos, viņš saka. Tomēr viņš ātri saprata, ka elastīgs mugurkauls nepadarīs viņa robotam labāku iespējamo darbu. Tas pats attiecas uz citām detaļām: sākumā es aplūkoju katru kaula formu, trajektorijas un tā tālāk, viņš saka. Es joprojām skatos uz daudziem bioloģijas pētījumiem, lai patiešām saprastu, kas notiek. Bet viņš tos izturas vairāk kā iedvesmu, nevis instrukciju bukletus: tagad es domāju: 'Labi, četras kājas ir labi.'

paslēpties