Gli ingegneri concordano: la natura produce i migliori robot

I miei accompagnatori e io abbiamo camminato per cinque minuti solidi attraverso un magazzino dell'epoca della Seconda Guerra Mondiale convertito, serpeggiando attraverso un labirinto di corridoi bui e una baia cavernosa della ferrovia, poi attraverso un laboratorio pieno di scheletri di veicoli spaziali nel mezzo della prototipazione. Abbiamo finalmente raggiunto il banco di lavoro dove sta costruendo la Marina… uno scoiattolo robot.

"Squirrel" è un po 'un po' allungato, poiché la prima versione completamente sviluppata dell'Iniziativa di locomozione robotica su scala meso (MeRLIn) peserà da 10 a 20 sterline quando è finita questa primavera - un mostro di un roditore, secondo la definizione di chiunque. Il robot nella sua forma attuale è costituito da un collettore rettangolare e dalla decima iterazione di una gamba snodata da un cane, montata su un puntone scorrevole in alluminio. Un modello stampato in 3D blu brillante nelle vicinanze ha mostrato come apparirà quando completo: una macchina a quattro zampe senza testa delle dimensioni di un Yorkshire terrier.

Ma quando gli ingegneri del progetto lo hanno acceso per darmi una dimostrazione, ho visto perché si riferiscono a MeRLIn come uno scoiattolo: nonostante i suoi piccoli motori e pistoni a comando idraulico, può saltare come l'inferno.

MeRLIn è solo uno dei robot recenti che devono ringraziare gli animali per la loro ispirazione. Il regno animale è pieno di esempi di rilevamento e movimento intelligenti, e l'efficienza è il re nel mondo della robotica autonoma alimentato a batteria, a potenza limitata. La capacità di imitare il salto di un canguro, ad esempio, realizzerebbe un compromesso ideale tra potenza e prestazioni: i tendini dei formidabili arti posteriori di questi marsupiali immagazzinano energia tra ogni passo, permettendo agli animali di percorrere lunghe distanze con un dispendio energetico relativamente ridotto.

Foto: US Naval Research

La biologia è alla base di alcuni dei progetti robotici più innovativi che emergono oggi: guarda Salto di UC Berkeley, ispirato al bushbaby africano che salta in alto, o il mantabot dell'Università della Virginia, modellato sui raggi di Cownose della baia di Chesapeake.

È facile capire perché. I progetti di ispirazione biologica hanno chiari vantaggi quando si tratta di svolgere compiti per i quali la forma umana è scarsamente adattata. Dalle minuscole mosche ai pesci di acque profonde e persino ai microbi (alcune celle a combustibile sono guidate dalla chimica microbica), la natura ha armeggiato e modificato modi incredibilmente efficaci per portare a termine i lavori. Milioni di anni di evoluzione hanno reso gli animali incredibilmente efficaci nei lavori che svolgono: volare, saltare, camminare e nuotare; rilevamento in spettri invisibili; e probabilmente più abilità che non abbiamo ancora scoperto.

Ma lungi dall'essere repliche meccaniche di animali, i bio-robot in costruzione oggi stanno avanzando l'obiettivo di distillare queste eleganti soluzioni biologiche. La spinta ora è analizzare quali sono quelle strategie, ridurle nelle loro principali essenze e sfruttarle per i nostri scopi. Mentre scienziati e ingegneri stanno costruendo componenti in grado di muoversi meglio, processori in grado di pensare in profondità e sensori in grado di rilevare in modo più fine, tuttavia, ricucendo il tutto in un pacchetto veramente funzionale e producibile in serie rimane un compito sfuggente.

Cadere prima di camminare

Se MeRLIn sembra familiare, beh, dovrebbe. Glen Henshaw, l'investigatore principale del progetto, ha affermato che il suo team non si preoccupa del fatto che MeRLIn sia ispirato da antenati molto più grandi e pesanti che hanno già trovato una buona dose di fama su Internet, tra cui L3 di Boston Dynamics e Big Dog e MIT Ghepardo.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

Ciò a cui gli ingegneri della Navy Research Lab stanno puntando è un robot più piccolo, più silenzioso e più agile, uno che non richiede due giovani Marines reggiati per installarlo per verificare i potenziali pericoli. Ma costruire MeRLIn non è così semplice come ridimensionare tutte le parti per creare un robot che possa adattarsi allo zaino di un soldato. È anche un processo per capire come e perché determinate andature funzionano, perché quelle andature sono appropriate per vari terreni e come costruire un robot che può imparare ad adattarsi e scegliere quelli giusti.

Arrivato al banco di MeRLIn, l'ingegnere dei controlli Joe Hays ha immesso diversi comandi di prova su un computer, facendo muovere e scuotere la gamba del robot. Dopo aver rimosso il puntone di supporto, la singola gamba di MeRLIn sollevò il suo corpo di dimensioni mattone sotto la sua stessa potenza, ora carica di fluido idraulico.

Pochi istanti dopo, con uno spasmo fulmineo, la gamba si lanciò in aria a quasi un metro di distanza, guidata su e giù verso il tavolo dalla sua barra di metallo verticale. Ripetendo questo esercizio altre tre volte, il robot ha colpito il soffitto del suo involucro protettivo dopo un ultimo, potente salto, atterrando così pesantemente che la sua gamba è crollata.

"Ci sono molte cose là fuori che ancora non sappiamo della locomozione animale, francamente", ha detto Henshaw. "E davvero non capiamo il sistema neuromuscolare come vorremmo. Stiamo cercando di costruire qualcosa senza sapere esattamente come dovrebbe camminare."

Il team sta ancora risolvendo qualche altro problema con l'idraulica, ma ha riscontrato un buon successo con un algoritmo adattivo che analizza e corregge le incertezze nei circuiti dell'hardware ad una velocità di una volta al millisecondo. Si aspettano che provi a saltare da terra a una scrivania entro alcuni mesi.

All'università della Pennsylvania, il Minitaur di Avik De e Gavin Kenneally è un altro quadruplo ultraleggero e leggero, creato sotto la guida di Dan Koditschek. Con un peso di appena 14 chili, il loro piccolo robot ha un'andatura accattivante e delimitante. La tenerezza si trasforma rapidamente in meraviglia, tuttavia, quando guardi i video della loro creazione arrampicarsi su per le scale, salire le recinzioni e saltare per sbloccare una maniglia della porta.

Foto: cortesia Ghost Robotics

De e Kenneally hanno drasticamente tagliato la maggior parte del loro robot usando le gambe a movimento diretto e oscillanti invece delle tradizionali ruote a ingranaggi. I motori fungono da sensori di feedback per il software del robot, rilevando e regolando la coppia erogata 1.000 volte al secondo. Il risultato è un robot che può avanzare lentamente o rapidamente, salire le scale, saltare su e ruotare una serie di gambe per agganciare una maniglia della porta per aprirla.

Sebbene sia ancora lungi dall'essere autonomo, privo di sensori e sistemi di controllo che gli consentirebbero il campo libero, l'esclusiva e regolabile azione del pogo-stick di Minitaur dimostra che l'agilità è possibile anche senza grandi e potenti meccanismi di azionamento. È anche realizzato con parti disponibili in commercio.

"Chiaramente c'è molta motivazione per avere le gambe, ma lo stato attuale della tecnologia non è abbastanza maturo e proibitivo", ha detto De, riferendosi anche al robot Atlas di Boston Dynamics: più che capace, ma proprietario e costoso, quindi non facilmente replicato. "Volevamo realizzare un robot che fosse accessibile ad altre persone in modo che potessero provare a implementare la piattaforma per le proprie applicazioni."

Soluzioni Slithery

Per sua stessa ammissione, Howie Choset ha paura dei serpenti. È meravigliosamente ironico, quindi, che le sue opere più conosciute possano essere meglio descritte come serpenti.

Choset, professore associato presso la Carnegie Mellon University di Pittsburgh, ha lavorato con robot serpenti da quando era uno studente laureato, e ha accumulato una litania di risultati. Dirige il Robotics Institute della CMU, un laboratorio in cui molte delle creazioni in corso presentano segmenti di serpenti ripetuti. È anche redattore del recente giornale Science Robotics e autore di un libro di testo sui principi del movimento dei robot.

E solo per tenersi occupato, ha anche fondato due società: Hebi Robotics e Medrobotics. Lo strumento chirurgico endoscopico avanzato di quest'ultima, il Flex Robotic System, ha ricevuto l'approvazione della FDA nel 2015 per l'uso. Sebbene Choset non sia più ufficialmente affiliato a Medrobotics, ha affermato che guardare un'operazione dal vivo in cui è stato utilizzato il robot è stato il punto forte della sua esperienza professionale.

Foto: Courtie Howie Choset

Choset chiede se il Flex sia stato ispirato dai serpenti; ha detto che la forma a serpentina del robot è stata progettata pensando ai colpi di scena dello spazio interno umano. Ma altri lavori più recenti hanno sicuramente riguardato la ricerca di serpenti e la modellazione di robot su di loro, in particolare attraverso la collaborazione con Dan Goldman della Georgia Tech, un fisico la cui ricerca in biomeccanica ha portato alla creazione di robot ispirati al movimento di granchi, tartarughe marine, scarafaggi, mudskipper e pesce sabbia.

Choset riconosce anche l'influenza di uno dei pionieri originali della robotica di ispirazione bio, Robert Full, che gestisce il laboratorio Poly-Pedal di UC Berkeley. Studiando come si muovono gli scarafaggi e in che modo i gechi scalano le superfici verticali, Full, Choset e altri cercano di ridurre questi segreti in principi di progettazione generali che possono essere applicati in modi nuovi.

"Dovremmo copiare la biologia? No. Chiedilo a un biologo per questo", ha detto Choset. "Quello che vogliamo è scegliere i migliori principi e andare da lì."

Insieme, Choset e Goldman, insieme a Joseph Mendelson dello Zoo di Atlanta, hanno studiato il movimento dei serpenti sidewinder, definendo in definitiva i loro movimenti di svolta come una serie di onde che cambiano forma. Applicando questa conoscenza alla programmazione per i suoi serpenti robotici, il team di Choset è stato in grado di farli arrampicarsi su cumuli di sabbia, un compito precedentemente impossibile. Comprendere come i serpenti cambiano forma del loro corpo per aggirarsi ha permesso a Choset di costruire robot di serpenti in grado di scrivere post e l'interno degli architravi delle porte, qualcosa che considera estremamente utile per esplorare pericolosi interni - diciamo, una centrale nucleare o il confini inaccessibili di un sito archeologico.

"Sono umiliato dal fatto che la biologia sia così complessa e può solo sperare di prenderne un po 'e metterla nei nostri robot", ha detto Choset. "Ma non stiamo replicando gli animali nella buona misura e nelle capacità degli animali. Ciò che vogliamo è costruire meccanismi e sistemi che abbiano grandi capacità."

La sua descrizione dei suoi progressi e dei risultati e delle scoperte dei suoi studenti come abbastanza serendipodi si applica anche al modo in cui robot come questi emergeranno nel mondo mentre maturano. Lentamente, a piccoli incrementi, la ricerca ci sta arrivando, ha detto.

"Anche l'evoluzione è casuale", ha affermato Choset. "Non esiste un punto di svolta, solo una sequenza di sviluppi che, visti dall'esterno, sembrano un grande passo avanti".

Un crossover critico

Nel complesso, non ci si può aspettare che gli ingegneri sappiano come funziona la biologia, il che rende critiche le collaborazioni tra ingegneri e biologi. All'università di Chicago, gli studi del biologo Mark Westneat sugli wrasses, una classe di pesci, hanno portato a una collaborazione con la Marina, dando vita a un drone sottomarino lento ma agile che può rimanere sospeso sul posto. Conosciuto come WANDA (che sta per "Automaton a pinna deformabile agile di ispirazione Wrasse"), i droni come questi saranno utili per le ispezioni di scafi, moli e piattaforme petrolifere delle navi.

La fotografia ad alta velocità è stata al centro dello sforzo quasi 20 anni fa, quando Westneat ha iniziato a fare studi di imaging dei wrass e prima che la Marina si interessasse al lavoro. In un serbatoio con una corrente costante, che Westneat definisce un "tapis roulant per pesci", i wrasses nuotano felici, usando solo le loro pinne pettorali per mantenere una posizione fissa nel serbatoio mentre le telecamere ad alta velocità catturano ogni dettaglio di quel movimento a 1.000 fotogrammi al secondo.

Foto: US Naval Research Laboratory / Victor Chen

In combinazione con la conoscenza altamente dettagliata dei biologi sull'anatomia del pesce - come i suoi raggi della pinna si attaccano ai suoi muscoli, come le terminazioni nervose nelle membrane delle pinne trasmettono stress e tensione - la fotografia consente una profonda conoscenza di come esattamente i wrass si spingono attraverso l'acqua con la torsione e la torsione del loro caratteristico colpo di sbattimento simile a un pinguino. La capacità del wrasse di rimanere sostanzialmente in posizione, mantenendo il corpo fermo anche in correnti forti o fluttuanti, lo rende una specie ideale da modellare per un nuovo tipo di veicolo subacqueo agile, ha affermato Jason Geder, ingegnere capo del progetto WANDA presso NRL.

"I veicoli tradizionali a propulsione oa elica non hanno quel tipo di manovrabilità o hanno un raggio di sterzata troppo elevato", ha detto Geder. "Questo è stato un buon pesce da modellare, perché se volessimo avere uno scafo rigido per i carichi utili al centro del veicolo, potremmo ottenere prestazioni simili solo usando questo tipo di movimento delle pinne pettorali".

Westneat ritiene che le più recenti capacità fotografiche 3D possano far avanzare ulteriormente la ricerca. "Per i pesci, è la vita o la morte, ma per noi una migliore comprensione dell'efficienza può significare una migliore potenza della batteria", ha detto Westneat. "Vorremmo davvero imitare da vicino la struttura scheletrica sottostante e le proprietà meccaniche delle membrane e vedere se siamo in grado di ottenere un'altissima efficienza."

Le raccolte biologiche dei musei sono un'altra risorsa ricca e sottoutilizzata per i ricercatori. Lo Smithsonian, per esempio, detiene quasi 600.000 esemplari solo nella sua collezione di vertebrati, e Rolf Müller di Virginia Tech ha attinto a queste aziende per il suo lavoro sui droni ispirati ai pipistrelli. Utilizzando scansioni 3D di orecchie di pipistrello e nasi dello Smithsonian, Mueller ha creato strutture simili per il suo robot volante per aiutarlo a riportare feedback attraverso le sue corse di test guidate da zip line.

"Hai questi milioni di esemplari allineati nei cassetti, a cui puoi accedere molto rapidamente", ha detto Müller. È stato coinvolto nella creazione di un consorzio di professionisti e ricercatori museali per contribuire a rendere le raccolte come queste in tutto il paese più accessibili per l'avanzamento bio-ispirato.

E poi, indipendentemente dal fatto che la fonte stia nuotando in un acquario o che si trovi in ​​un cassetto di archiviazione, tradurre questi dati in una forma utile rimane una sfida. "Il tuo ingegnere tipico vuole specifiche, ma il biologo potrebbe consegnarle disegni anatomici", ha detto Westneat.

Fu solo quando iniziò ad affrontare alcuni di questi colloqui di ingegneria che si rese conto che il suo lavoro poteva fornire dati meccanici sui movimenti del pesce che potevano tradursi in potenza e forze motorie, i data engineer hanno bisogno di produrre una macchina funzionante. "Queste sono le cose su cui la selezione naturale può agire, ma fanno anche la differenza tra il veicolo autonomo che ritorna sulla nave o no."

Di nuovo a scuola

L'apprendimento, la memoria e l'adattamento sono altre sfide del tutto. Di ritorno al magazzino convertito della Marina, il team MeRLIn è ancora principalmente impegnato con i problemi della miniaturizzazione. Ma sono tutti troppo consapevoli che il robot che immaginano non sarebbe completo senza la capacità di apprendere, ricordare e adattarsi.

Henshaw, che alleva le pecore a casa quando non è in laboratorio, ha detto che guardare gli agnelli neonati passare da un mucchio umido a camminare nel giro di poche ore sottolinea la difficoltà di replicare artificialmente quel processo. "Non c'è nessuno che capisca davvero come funziona", ha detto Henshaw dei cambiamenti neurali richiesti agli agnelli per adattare continuamente la loro locomozione ai rapidi cambiamenti della massa corporea mentre crescono in pecore. Un approccio che il suo team sta adottando per affrontare quella strategia è quello di scrivere software che permetta loro di cambiare il modo in cui vengono generate le andature di MeRLIn.

Separatamente, Henshaw fa parte di un altro progetto per sviluppare un sistema di apprendimento di ispirazione biologica. Mi mostrò un video di una gamba robot che calciava una palla in un piccolo goal di calcio. Dopo tre calci programmati, la gamba calcia la palla da sola 78 volte in più, scegliendo sistematicamente i propri bersagli e tenendo traccia dei suoi successi e fallimenti. Ulteriormente perfezionato e applicato a un robot come MeRLIn, un codice come questo renderebbe più semplice per un robot ambulante adattarsi da solo a pesi di carico diversi o lunghezze delle gambe, ad esempio.

"Molti progetti hanno equazioni che scoprono come ottimizzare il centro di gravità o il movimento attraverso grandi equazioni matematiche in tempo reale", ha detto Henshaw. "Funziona, ma non è esattamente biologico. Non posso affermare che l'algoritmo che ho scritto sia esattamente quello che sta succedendo nel cervello, ma sembra qualcosa che deve succedere. Gli umani imparano a arrampicarsi sugli alberi e calciare palle attraverso la pratica, non l'ottimizzazione numerica ".

L'apprendimento profondo e l'accesso alle conoscenze raccolte probabilmente accelererebbero questo processo, ha aggiunto Henshaw, ma, di nuovo, l'hardware non è abbastanza robusto o abbastanza piccolo da adattarsi a qualcosa di così piccolo come MeRLIn. "Se vuoi questi piccoli robot, non è così tanto che dobbiamo migliorare gli algoritmi ma l'hardware su cui girano", ha detto. "Altrimenti prenderà un computer troppo grande, con batterie troppo grandi e semplicemente non funzionerà."

Un mercato emergente

Le scorciatoie che la biologia fornisce per la creazione di piattaforme innovative per il corpo e strategie di locomozione possono anche contribuire a rendere i robot di ispirazione biologica più economicamente sostenibili. Choset non è l'unico accademico che ha avviato un'azienda per contribuire a far avanzare applicazioni pratiche per le sue creazioni; infatti, Eelume, fondata dal professore di robotica dell'Università norvegese di scienze e tecnologia Kristin Ytterstad Pettersen, sta attualmente commercializzando il proprio serpente di nuoto robotizzato per attività di esplorazione e ispezione subacquee. E De e Kinneally hanno fondato Ghost Robotics, un'azienda che commercializza Minitaur.

Anche le grandi compagnie private stanno entrando in gioco. Boston Engineering è in fase finale di dimostrazioni sul campo con il suo robot di ispezione marittima, soprannominato BioSwimmer. Questo robot non è semplicemente ispirato da un tonno: il suo intero corpo esterno si basa sulle scansioni di un tonno rosso lungo un metro e mezzo che è stato catturato vicino agli uffici dell'azienda a Waltham, MA. E come con un tonno vivente, la forza di propulsione ha origine nella coda, consentendo alla metà anteriore del veicolo di essere impilata con sensori e carichi utili. L'obiettivo non era quello di imitare un tonno, ma di sfruttare l'efficienza e le elevate prestazioni dell'animale.

Mike Rufo, direttore del gruppo di sistemi avanzati di Boston Engineering, ha affermato che gli aspetti biologici del progetto non hanno facilitato la costruzione, ma non hanno aggiunto ulteriori difficoltà. Rufo afferma che la società ha costruito BioSwimmer (che è lungo cinque piedi e 100 sterline) per circa lo stesso costo di progetti simili - circa $ 1 milione - e che avrà un prezzo simile ad altri veicoli delle sue dimensioni. Ma l'efficienza di movimento fornita dalla strategia di propulsione ispirata al tonno gli consente di operare più a lungo su fonti di energia standard.

"Ci sono alcuni ostacoli tecnici che sono sulla nostra strada, collettivamente, con la robotica bioispirata", ha detto Rufo. "Ma la bioispirazione offre l'opportunità di indirizzarli direttamente o di migliorare le prestazioni in modo da mitigare l'impatto di tali sfide. Ad esempio, nonostante alcuni progressi davvero fantastici nella tecnologia delle batterie, siamo su un plateau di quanta energia puoi integrare qualcosa di una certa dimensione. Ma se riesci a valutare l'efficienza di un sistema, forse la batteria non ti influenza così tanto. Questa è un'area in cui la bioispirazione gioca un ruolo importante. " Tuttavia, pensa che robot come questi non saranno all'ordine del giorno, in applicazioni di difesa o altro, per almeno i prossimi 5-10 anni.

Indipendentemente dalle sfide monumentali che devono essere superate prima di avere aiutanti robot non troppo inquietanti nella nostra vita di tutti i giorni, negli ultimi anni sono stati compiuti enormi progressi verso l'incapsulamento di ciò che la biologia e l'evoluzione hanno chiarito: la capacità abbagliante degli organismi adattarsi ed esibirsi.

"A volte sembra Sisifo, sì", ha detto Westneat. "Guardo questi robot acquatici e mi sembrano goffi; ma poi sono abituato a vedere questi graziosi animali nuotare attraverso una barriera corallina. Ma non è troppo scandaloso pensare che ingegneri e biologi possano stare insieme e creare robot che si gettano in acqua che nuotano da soli. Tutto è eccitante."