Os engenheiros concordam: a natureza faz os melhores robôs

Minhas escoltas e eu andamos por cinco minutos sólidos através de um armazém convertido da Segunda Guerra Mundial, serpenteando por um labirinto de corredores escuros e uma baía ferroviária cavernosa, depois por um laboratório cheio de esqueletos de naves espaciais no meio da criação de protótipos. Finalmente chegamos à bancada onde a Marinha está construindo… um esquilo robô.

"Esquilo" é um pouco exagerado, já que a primeira versão totalmente construída da Iniciativa de Locomoção Robótica em Meso-escala (MeRLIn) pesará 10 a 20 libras quando terminar nesta primavera - um monstro de roedor, por definição de qualquer pessoa. O robô em sua forma atual consiste em um coletor retangular e a 10ª iteração de uma perna articulada por um cão, montada em um suporte deslizante de alumínio. Um modelo 3D azul brilhante impresso nas proximidades mostrava a aparência quando concluída: uma máquina sem cabeça e quadrúpede do tamanho de um yorkshire terrier.

Mas quando os engenheiros do projeto o acionaram para me dar uma demonstração, vi por que eles se referem ao MeRLIn como um esquilo: apesar de seus pequenos motores e pistões hidráulicos, ele pode pular como o inferno.

O MeRLIn é apenas um dos robôs recentes que têm animais para agradecer por sua inspiração. O reino animal é repleto de exemplos de sensoriamento e movimento inteligentes, e a eficiência é o rei do mundo movido a bateria e com energia limitada da robótica autônoma. A capacidade de imitar o salto de um canguru, por exemplo, realizaria uma troca ideal entre poder e desempenho: os tendões nos formidáveis ​​membros posteriores desses marsupiais armazenam energia a cada passo, permitindo que os animais viajem longas distâncias com relativamente pouco gasto de energia.

Foto: Pesquisa Naval dos EUA

A biologia está por trás de alguns dos projetos robóticos mais inovadores que estão surgindo atualmente: veja o Salto de UC Berkeley, inspirado no bebê africano de salto em altura, ou o mantabot da Universidade da Virgínia, modelado a partir dos raios de sol da Baía de Chesapeake.

É fácil ver o porquê. Os projetos de inspiração biológica têm vantagens claras quando se trata de realizar tarefas para as quais a forma humana está mal adaptada. Desde pequenas moscas a peixes do fundo do mar e até micróbios (algumas células de combustível são movidas pela química microbiana), a natureza mexeu e aprimorou maneiras surpreendentemente eficazes de realizar trabalhos. Milhões de anos de evolução tornaram os animais incrivelmente eficazes nos trabalhos que realizam - voar, pular, caminhar e nadar; sentindo em espectros invisíveis; e provavelmente mais habilidades que ainda não descobrimos.

Mas longe de serem réplicas mecânicas de animais, os biob Robôs que estão sendo construídos hoje estão avançando no objetivo de destilar essas elegantes soluções biológicas. O impulso agora é analisar quais são essas estratégias, reduzi-las às suas principais essências e aproveitá-las para nossos próprios propósitos. Enquanto cientistas e engenheiros estão construindo componentes que podem se mover melhor, processadores que podem pensar mais profundamente e sensores que podem detectar com mais precisão, porém, unir tudo isso em um pacote verdadeiramente funcional e produtivo em massa continua sendo uma tarefa ilusória.

Caindo antes de andar

Se o MeRLIn parece familiar - bem, deveria. Glen Henshaw, o principal investigador do projeto, disse que sua equipe não se preocupa com o fato de o MeRLIn ser inspirado por ancestrais muito maiores e mais pesados ​​que já encontraram uma boa fama na Internet, incluindo L3 e Big Dog e MIT do Boston Dynamics. Guepardo.

Foto: Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA / Victor Chen

O que os engenheiros da Navy Research Lab estão buscando é um robô menor, mais silencioso e mais ágil, que não exija dois jovens fuzileiros navais para configurá-lo para verificar possíveis riscos. Mas construir o MeRLIn não é tão simples como simplesmente reduzir todas as partes para criar um robô que possa caber na mochila de um soldado. É também um processo de entender como e por que certas andanças funcionam, por que são apropriadas para terrenos variados e como construir um robô que pode aprender a se adaptar e escolher os corretos.

Chegando ao banco do MeRLIn, o engenheiro de controles Joe Hays inseriu vários comandos de teste em um computador, fazendo com que a perna do robô se contorça e se sacode. Depois de remover o suporte, a perna única do MeRLIn sustentou seu corpo do tamanho de tijolos sob seu próprio poder, agora carregado com fluido hidráulico.

Momentos depois, com um espasmo relâmpago, a perna lançou o merRLin quase três pés no ar, guiada de volta à mesa pelo trilho vertical de metal. Repetindo este exercício mais três vezes, o robô atingiu o teto do seu gabinete de proteção após um salto final poderoso, aterrissando com tanta força que sua perna desabou.

"Há muita coisa que ainda não sabemos sobre locomoção animal, francamente", disse Henshaw. "E realmente não entendemos o sistema neuromuscular tão bem quanto gostaríamos. Estamos tentando construir algo sem saber exatamente como deve andar".

A equipe ainda está resolvendo mais alguns problemas com o sistema hidráulico, mas obteve um bom sucesso com um algoritmo adaptativo que analisa e corrige incertezas nos circuitos do hardware a uma taxa de uma vez por milissegundo. Eles esperam que ele tente pular do chão para uma mesa dentro de vários meses.

Na Universidade da Pensilvânia, o Minitaur de Avik De e Gavin Kenneally é outro quadrúpede super pequeno e leve, criado sob a orientação de Dan Koditschek. Pesando apenas 14 libras, seu pequeno bot tem uma marcha cativante e envolvente. O carinho rapidamente se torna surpreendente quando você assiste a vídeos de sua criação subindo escadas, subindo cercas e pulando para abrir a maçaneta da porta.

Foto: Cortesia Ghost Robotics

De e Kenneally cortaram drasticamente a maior parte do bot usando pernas de giro direto, em movimento livre, em vez das pernas acionadas por engrenagem tradicionais. Os motores agem como sensores de feedback para o software do robô, detectando e ajustando o torque que eles fornecem 1.000 vezes por segundo. O resultado é um robô que pode andar devagar ou rapidamente, subir escadas e pular e girar um conjunto de pernas para prender uma maçaneta da porta para abri-la.

Embora ainda esteja longe de ser autônomo, com falta de sensores e sistemas de controle que lhe permitiriam alcance livre, a ação exclusiva do pula-pula ajustável do Minitaur demonstra que a agilidade é possível mesmo sem grandes e poderosos mecanismos de acionamento. Também é fabricado com peças comercialmente disponíveis.

"Claramente, há muita motivação para ter pernas, mas o estado atual da tecnologia não é maduro o suficiente e é proibitivamente caro", disse De, referindo-se também ao robô Atlas da Boston Dynamics - mais do que capaz, mas proprietário e caro, por isso não é fácil. replicado. "Queríamos criar um robô acessível a outras pessoas, para que pudessem tentar implementar a plataforma para seus próprios aplicativos".

Slithery Solutions

Por sua própria admissão, Howie Choset tem medo de cobras. É maravilhosamente irônico, então, que seus trabalhos mais conhecidos possam ser melhor descritos como cobras.

Choset, professor associado da Universidade Carnegie Mellon, em Pittsburgh, trabalha com robôs-cobra desde que era estudante de graduação e acumulou uma série de realizações. Ele dirige o Instituto de Robótica da CMU - um laboratório onde muitas das criações em andamento apresentam os segmentos corporais repetidos das cobras. Ele também é editor da revista Science Robotics, recentemente lançada, e autor de um livro sobre os princípios do movimento do robô.

E apenas para se manter ocupado, ele também fundou duas empresas: Hebi Robotics e Medrobotics. A avançada ferramenta cirúrgica endoscópica, o Flex Robotic System, recebeu a aprovação do FDA em 2015 para uso. Embora Choset agora não seja mais formalmente afiliado à Medrobotics, ele disse que assistir a uma operação ao vivo na qual o robô foi usado era o ponto alto de sua experiência profissional.

Foto: Cortesia Howie Choset

Choset hesita em saber se o Flex foi inspirado por cobras; ele disse que a forma serpentina do robô foi projetada com as reviravoltas do espaço interior humano em mente. Mas outro trabalho mais recente certamente envolveu a observação de cobras e a modelagem de robôs, especialmente através da colaboração com Dan Goldman, da Georgia Tech, físico cuja pesquisa em biomecânica levou à criação de robôs inspirados no movimento de caranguejos e tartarugas marinhas., baratas, saltadores e peixes-areia.

Choset também reconhece a influência de um dos pioneiros originais da robótica de inspiração biológica, Robert Full, que dirige o laboratório Poly-Pedal da UC Berkeley. Ao estudar como as baratas se movem e como as lagartixas escalam superfícies verticais, Full, Choset e outros procuram resumir esses segredos em princípios gerais de design que podem ser aplicados de maneiras novas.

"Devemos copiar a biologia? Não. Peça um biólogo para isso", disse Choset. "O que queremos é escolher os melhores princípios e partir daí".

Juntos, Choset e Goldman, juntamente com Joseph Mendelson, do Zoo Atlanta, estudaram o movimento de cobras sidewinder, caracterizando seus movimentos de giro acentuado como uma série de ondas que mudam de forma. Aplicando esse conhecimento à programação de suas cobras robóticas, a equipe de Choset conseguiu fazê-las escalar montes de areia, uma tarefa anteriormente impossível. Compreender como as cobras mudam de corpo para se locomover também permitiu que Choset construísse robôs-cobra capazes de contorcer postes e o interior de lintéis de portas, algo que ele considera útil eminentemente para explorar interiores perigosos - por exemplo, uma usina nuclear ou o limites inacessíveis de um sítio arqueológico.

"Estou humilhado pelo fato de a biologia ser tão complexa e só podermos esperar pegar um pouco dela e colocá-la em nossos robôs", disse Choset. "Mas não estamos replicando os animais no alto grau e capacidade que eles têm. O que queremos é criar mecanismos e sistemas que possuam grandes capacidades".

Sua descrição de seus próprios avanços e as realizações e descobertas de seus alunos como bastante fortuitas também se aplicam a como robôs como esses emergirão no mundo à medida que amadurecem. Lentamente, em pequenos incrementos, a pesquisa está chegando lá, disse ele.

"A evolução também é casual", afirmou Choset. "Não existe um ponto de inflexão, apenas uma sequência de desenvolvimentos que, vistos de fora, parecem um grande avanço".

Um cruzamento crítico

De maneira geral, não se pode esperar que os engenheiros saibam como a biologia funciona, o que torna críticas as colaborações entre engenheiros e biólogos. Na Universidade de Chicago, os estudos de wrasses do biólogo Mark Westneat, uma classe de peixes, levaram a uma colaboração com a Marinha, resultando em um drone subaquático lento, mas ágil, que pode pairar no lugar. Conhecidos como WANDA (que significa "Autômato de barbatana deformável ágil perto da costa", inspirado em Wrasse), drones como esses serão úteis para inspeções nos cascos dos navios, cais e plataformas de petróleo.

A fotografia em alta velocidade foi fundamental para o esforço, há quase 20 anos, quando o Westneat começou a fazer estudos de imagem dos brutos e antes que a Marinha se interessasse pelo trabalho. Em um tanque de fluxo com uma corrente constante, que Westneat chama de "esteira para peixes", os burros nadam alegremente, usando apenas suas nadadeiras peitorais para manter uma posição fixa no tanque, enquanto as câmeras de alta velocidade capturam todos os detalhes desse movimento a mil quadros por segundo.

Foto: Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA / Victor Chen

Combinada com o conhecimento altamente detalhado dos biólogos sobre a anatomia do peixe - como os raios das barbatanas se ligam aos músculos, como as terminações nervosas nas membranas transmitem tensões e tensões - a fotografia permite um profundo conhecimento de como exatamente os crua se impulsionam através da água com a torção e torção do seu golpe característico de bater um pinguim. A capacidade do wrasse de pairar no lugar, mantendo o corpo imóvel, mesmo em correntes fortes ou flutuantes, torna a espécie ideal para modelar um novo tipo de veículo subaquático ágil, disse Jason Geder, engenheiro-chefe do projeto WANDA da NRL.

"Os veículos tradicionais movidos a hélice ou propulsor não têm esse tipo de manobrabilidade ou têm um raio de virada muito alto", disse Geder. "Este foi um bom peixe para modelar, porque se quiséssemos ter um casco rígido para cargas úteis no centro do veículo, poderíamos obter desempenho semelhante apenas usando esse tipo de movimento da barbatana peitoral".

Westneat acha que a capacidade fotográfica 3D mais nova pode avançar ainda mais a pesquisa. "Para os peixes, é vida ou morte, mas para nós, uma melhor compreensão da eficiência pode significar melhor energia da bateria", disse Westneat. "Gostaríamos muito de imitar de perto a estrutura esquelética subjacente e as propriedades mecânicas das membranas e ver se conseguimos obter uma eficiência super alta".

As coleções biológicas dos museus são outro recurso rico e subutilizado para os pesquisadores. O Smithsonian, por exemplo, possui quase 600.000 espécimes apenas em sua coleção de vertebrados, e Rolf Müller, da Virginia Tech, recorreu a essas explorações por seu trabalho em drones inspirados em morcegos. Usando digitalizações em 3D de orelhas e narizes de morcegos do Smithsonian, Mueller criou estruturas semelhantes para seu robô voador para ajudá-lo a relatar feedback através de seus testes guiados por tirolesa.

"Você tem esses milhões de espécimes alinhados em gavetas, que podem ser acessados ​​muito rapidamente", disse Müller. Ele esteve envolvido na criação de um consórcio de profissionais e pesquisadores de museus para ajudar a tornar coleções como essas em todo o país mais acessíveis para o avanço da bioinspiração.

E então, não importa se a fonte está nadando em um tanque ou em uma gaveta de armazenamento, traduzir esses dados em uma forma útil permanece um desafio. "Seu engenheiro típico quer especificações, mas o biólogo pode estar entregando desenhos anatômicos", disse Westneat.

Somente quando ele começou a ir a algumas dessas conversas de engenharia, ele percebeu que seu trabalho poderia fornecer dados mecânicos dos movimentos do peixe que poderiam se traduzir em força e força do motor, os engenheiros de dados precisam produzir uma máquina em funcionamento. "Essas são as coisas nas quais a seleção natural pode agir, mas também fazem a diferença entre o veículo autônomo que o leva de volta ao navio ou não".

De volta à escola

Aprendizado, memória e adaptação são outros desafios inteiramente. De volta ao armazém convertido da Marinha, a equipe do MeRLIn ainda está envolvida principalmente com os problemas de miniaturização. Mas todos sabem que o robô que imaginam não seria completo sem a capacidade de aprender, lembrar e se adaptar.

Henshaw, que cria ovelhas em casa quando não está no laboratório, disse que observar os cordeiros recém-nascidos passam de uma pilha úmida para caminhar em questão de horas ressalta a dificuldade de replicar artificialmente esse processo. "Não há ninguém que realmente entenda como isso funciona", disse Henshaw sobre as mudanças neurais exigidas dos cordeiros para adaptar continuamente sua locomoção às rápidas mudanças de massa corporal à medida que crescem em ovelhas. Uma abordagem que sua equipe está adotando para abordar essa estratégia é escrever um software que lhes permita mudar a maneira como os movimentos do MeRLIn são gerados.

Separadamente, Henshaw faz parte de outro projeto para desenvolver um sistema de aprendizado de inspiração biológica. Ele me mostrou um vídeo de uma perna robótica chutando uma bola em um pequeno gol de futebol. Após três chutes programados, a perna chuta a bola sozinha por mais 78 vezes, escolhendo sistematicamente seus próprios alvos e acompanhando seus sucessos e fracassos. Ainda mais refinado e aplicado a um robô como o MeRLIn, códigos como esse facilitariam a adaptação de um robô ambulante por conta própria a diferentes pesos de carga ou comprimentos de perna, por exemplo.

"Muitos projetos têm equações que descobrem como otimizar o centro de gravidade ou movimento através de grandes equações matemáticas em tempo real", disse Henshaw. "Funciona, mas não é exatamente biológico. Não posso afirmar que o algoritmo que escrevi é exatamente o que está acontecendo no cérebro, mas parece que algo precisa estar acontecendo. Os humanos aprendem a subir em árvores e chutar" bolas através da prática, não otimização numérica ".

O aprendizado profundo e o acesso ao conhecimento coletado provavelmente acelerariam esse processo, acrescentou Henshaw, mas, novamente, o hardware ainda não é robusto ou pequeno o suficiente para caber em algo tão diminuto quanto o MeRLIn. "Se você quer esses pequenos robôs, não é tanto que precisamos melhorar os algoritmos, mas o hardware em que eles funcionam", disse ele. "Caso contrário, será necessário um computador muito grande, com baterias muito grandes e simplesmente não funcionará".

Um mercado emergente

Os atalhos que a biologia fornece para criar plataformas corporais inovadoras e estratégias de locomoção também podem ajudar a tornar robôs de inspiração biológica mais viáveis ​​economicamente também. Choset não é o único acadêmico que abriu uma empresa para ajudar a promover aplicações práticas para suas criações; de fato, a Eelume, fundada pela professora de robótica da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia Kristin Ytterstad Pettersen, atualmente está comercializando sua própria serpente de natação robótica para tarefas de exploração e inspeção subaquáticas. E De e Kinneally fundaram a Ghost Robotics, uma empresa para comercializar o Minitaur.

Grandes empresas privadas também estão entrando no jogo. A Boston Engineering está nos estágios finais da execução de demonstrações de campo com seu robô de inspeção marítima, chamado BioSwimmer. Esse bot não é meramente inspirado por um atum - todo o seu corpo externo é baseado em varreduras de um atum rabilho de um metro e meio de comprimento, capturado perto dos escritórios da empresa em Waltham, MA. E, como no atum vivo, a força de propulsão se origina na cauda, ​​permitindo que a metade da frente do veículo seja empilhada com sensores e cargas úteis. O objetivo não era imitar um atum, mas aproveitar a eficiência e o alto desempenho do animal.

Mike Rufo, diretor do grupo de sistemas avançados da Boston Engineering, disse que os aspectos biológicos do projeto não facilitaram a construção, mas também não acrescentaram dificuldades extras. Rufo alega que a empresa construiu o BioSwimmer (com um metro e meio de comprimento e 100 libras) pelo mesmo custo de projetos semelhantes - cerca de US $ 1 milhão - e que terá preço semelhante a outros veículos do seu tamanho. Mas a eficiência do movimento proporcionada pela estratégia de propulsão inspirada no atum permite que ela opere por mais tempo em fontes de energia padrão.

"Existem alguns obstáculos técnicos que estão no nosso caminho, coletivamente, com a robótica com bioinspiração", disse Rufo. "Mas a bioinspiração oferece oportunidades para abordá-las diretamente ou para melhorar o desempenho de uma maneira que atenua o impacto desses desafios. Por exemplo, apesar de alguns avanços muito interessantes na tecnologia de baterias, estamos em um platô de quanta energia você pode integrar algo de um determinado tamanho. Mas, se você puder lidar com a eficiência de um sistema, talvez a bateria não tenha tanto impacto sobre você. Essa é uma área em que a bioinspiração desempenha um grande papel ". Ainda assim, ele acha que robôs como esses não serão comuns, em aplicações de defesa ou de outra forma, pelo menos nos próximos cinco a dez anos.

Independentemente dos desafios monumentais que devem ser superados antes de termos ajudantes robóticos não muito assustadores em nossas vidas cotidianas, grandes avanços foram feitos, mesmo nos últimos anos, para encapsular o que a biologia e a evolução deixaram claro: a capacidade deslumbrante dos organismos para se adaptar e executar.

"Parece sísifo às vezes, sim", disse Westneat. "Eu olho para esses robôs aquáticos, e eles parecem desajeitados para mim; mas então, eu estou acostumado a ver esses animais graciosos nadando através de um recife de coral. Mas não é ultrajante pensar que os engenheiros e biólogos podem se reunir e criar robôs que você joga na água que nadam sozinhos. Tudo é emocionante."