Los ingenieros están de acuerdo: la naturaleza hace los mejores robots

Mis acompañantes y yo caminamos durante cinco minutos seguidos a través de un almacén convertido de la Segunda Guerra Mundial, atravesando un laberinto de corredores oscuros y una bahía ferroviaria cavernosa, luego a través de un laboratorio lleno de esqueletos de naves espaciales en medio de la creación de prototipos. Finalmente llegamos al banco de trabajo donde la Armada está construyendo… una ardilla robot.

"Squirrel" es un poco exagerado, ya que la primera versión completamente desarrollada de la Iniciativa de locomoción robótica a escala meso (MeRLIn) pesará entre 10 y 20 libras cuando se termine esta primavera, un monstruo de roedor, según la definición de cualquiera. El robot en su forma actual consiste en un colector rectangular y la décima iteración de una pata articulada, montada en un puntal deslizante de aluminio. Un modelo impreso en 3D de color azul brillante cercano mostró cómo se verá cuando esté completo: una máquina sin cabeza de cuatro patas del tamaño de un Yorkshire terrier.

Pero cuando los ingenieros del proyecto lo encendieron para darme una demostración, vi por qué se refieren a MeRLIn como una ardilla: a pesar de sus pequeños motores y pistones hidráulicos, puede saltar como el infierno.

MeRLIn es solo uno de los robots recientes que agradecen a los animales por su inspiración. El reino animal está plagado de ejemplos de detección inteligente y movimiento, y la eficiencia es el rey en el mundo de la robótica autónoma, con batería y potencia limitada. La capacidad de imitar el salto de un canguro, por ejemplo, daría lugar a una compensación ideal entre potencia y rendimiento: los tendones de las formidables extremidades posteriores de estos marsupiales almacenan energía entre cada zancada, lo que permite a los animales viajar largas distancias con relativamente poco gasto de energía.

Foto: Investigación Naval de EE. UU.

La biología está detrás de algunos de los diseños robóticos más innovadores que surgen hoy en día: mire el Salto de UC Berkeley, inspirado en el bushbaby africano de alto salto, o el mantabot de la Universidad de Virginia, inspirado en los rayos Cownose de la Bahía de Chesapeake.

Es fácil ver por qué. Los diseños inspirados biológicamente tienen claras ventajas cuando se trata de realizar tareas para las cuales la forma humana está mal adaptada. Desde pequeñas moscas hasta peces de aguas profundas e incluso microbios (algunas celdas de combustible son impulsadas por la química microbiana), la naturaleza ha manipulado y modificado formas increíblemente efectivas para hacer el trabajo. Millones de años de evolución han hecho que los animales sean increíblemente efectivos en los trabajos que realizan: volar, saltar, caminar y nadar; sentir en espectros invisibles; y probablemente más habilidades que aún no hemos descubierto.

Pero lejos de ser réplicas mecánicas de animales, los bio-robots que se están construyendo hoy están avanzando en el objetivo de destilar estas elegantes soluciones biológicas. El impulso ahora es analizar cuáles son esas estrategias, reducirlas a sus esencias principales y aprovecharlas para nuestros propios fines. Si bien los científicos e ingenieros están construyendo componentes que pueden moverse mejor, los procesadores que pueden pensar más profundamente y los sensores que pueden detectar con mayor precisión, sin embargo, unir todo en un paquete realmente funcional y producible en masa sigue siendo una tarea difícil.

Caer antes de caminar

Si MeRLIn parece familiar, bueno, debería serlo. Glen Henshaw, el investigador principal del proyecto, dijo que su equipo no oculta el hecho de que MeRLIn está inspirado en antepasados ​​mucho más grandes y pesados ​​que ya han encontrado una buena medida de la fama en Internet, incluidos L3 de Boston Dynamics y Big Dog y MIT. Leopardo.

Foto: Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. / Victor Chen

Lo que los ingenieros del Navy Research Lab buscan es un robot más pequeño, más silencioso y más ágil, uno que no requiera que dos jóvenes infantes de marina lo instalen para detectar posibles peligros. Pero construir MeRLIn no es tan simple como simplemente reducir todas las partes para hacer un robot que pueda caber en la mochila de un soldado. También es un proceso de comprensión de cómo y por qué funcionan ciertos modos de andar, por qué esos pasos son apropiados para diferentes terrenos y cómo construir un robot que pueda aprender a adaptarse y elegir los correctos.

Al llegar al banco de MeRLIn, el ingeniero de controles Joe Hays ingresó varios comandos de prueba a una computadora, haciendo que la pata del robot se sacudiera y se sacudiera. Después de quitar su puntal de soporte, la sola pierna de MeRLIn levantó su cuerpo del tamaño de un ladrillo por su propia fuerza, ahora cargado con fluido hidráulico.

Momentos después, con un espasmo relámpago, la pierna lanzó merRLin a casi tres pies en el aire, guiada hacia arriba y hacia atrás a la mesa por su riel de metal vertical. Repitiendo este ejercicio tres veces más, el robot golpeó el techo de su recinto protector después de un salto final y poderoso, aterrizando tan fuerte que su pierna se derrumbó.

"Hay muchas cosas por ahí que todavía no sabemos sobre la locomoción animal, francamente", dijo Henshaw. "Y realmente no entendemos el sistema neuromuscular tan bien como nos gustaría. Estamos tratando de construir algo sin saber exactamente cómo debe caminar".

El equipo aún está resolviendo algunos problemas más con la hidráulica, pero ha encontrado un buen éxito con un algoritmo adaptativo que investiga y corrige las incertidumbres en los circuitos del hardware a una velocidad de una vez por milisegundo. Esperan que intente saltar del suelo a un escritorio dentro de varios meses.

En la Universidad de Pensilvania, Minitaur de Avik De y Gavin Kenneally es otro cuadrúpedo súper pequeño y liviano, creado bajo la guía de Dan Koditschek. Con un peso de apenas 14 libras, su pequeño bot tiene un paso encantador y delimitador. Sin embargo, la cariño se convierte rápidamente en asombro cuando ves videos de su creación trepando escaleras, subiendo cercas y saltando para abrir la manija de la puerta.

Foto: Cortesía de Ghost Robotics

De y Kenneally cortaron drásticamente la mayor parte de su bot usando patas de accionamiento directo que se balancean libremente en lugar de las patas tradicionales impulsadas por engranajes. Los motores actúan como sensores de retroalimentación para el software del robot, detectando y ajustando el torque que entregan 1, 000 veces por segundo. El resultado es un robot que puede saltar lenta o rápidamente, subir escaleras, saltar y balancear un conjunto de patas para enganchar la manija de la puerta para abrirla.

Aunque todavía está lejos de ser autónomo, carece de sensores y sistemas de control que le permitan un alcance libre, la acción de pogo-stick única y ajustable de Minitaur demuestra que la agilidad es posible incluso sin mecanismos de accionamiento grandes y potentes. También está hecho de piezas disponibles en el mercado.

"Claramente, hay mucha motivación para tener piernas, pero el estado actual de la tecnología no es lo suficientemente maduro y prohibitivamente caro", dijo De, refiriéndose también al robot Atlas de Boston Dynamics, más que capaz, pero propietario y costoso, por lo que no es fácil replicado "Queríamos hacer un robot que fuera accesible para otras personas para que pudieran intentar implementar la plataforma para sus propias aplicaciones".

Soluciones Slithery

Por su propia admisión, Howie Choset teme a las serpientes. Es maravillosamente irónico, entonces, que sus obras más conocidas puedan describirse mejor como serpientes.

Choset, profesor asociado de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, ha estado trabajando con robots serpiente desde que era un estudiante graduado, y ha acumulado una letanía de logros. Dirige el Instituto de Robótica de CMU, un laboratorio donde muchas de las creaciones en progreso presentan segmentos corporales repetitivos de serpientes. También es editor de la revista recientemente lanzada Science Robotics y es autor de un libro de texto sobre los principios del movimiento del robot.

Y para mantenerse ocupado, también fundó dos compañías: Hebi Robotics y Medrobotics. La herramienta quirúrgica endoscópica avanzada de este último, el Sistema Robótico Flex, recibió la aprobación de la FDA en 2015 para su uso. Aunque Choset ya no está afiliado formalmente con Medrobotics, dijo que ver una operación en vivo en la que se utilizó el robot fue el punto culminante de su experiencia profesional.

Foto: Cortesía de Howie Choset

Choset cuestiona si el Flex se inspiró en serpientes; Dijo que la forma serpentina del robot fue diseñada con los giros y vueltas del espacio interior humano en mente. Pero otro trabajo más reciente ciertamente ha implicado observar serpientes y modelar robots después de ellos, especialmente a través de la colaboración con Dan Goldman de Georgia Tech, un físico cuya investigación en biomecánica ha llevado a la creación de robots inspirados en el movimiento de cangrejos y tortugas marinas., cucarachas, mudskippers y sandfish.

Choset también reconoce la influencia de uno de los pioneros originales de la robótica bio-inspirada, Robert Full, que dirige el laboratorio Poly-Pedal de UC Berkeley. Al estudiar cómo se mueven las cucarachas y cómo los geckos escalan superficies verticales, Full, Choset y otros buscan reducir estos secretos a principios generales de diseño que se pueden aplicar de formas novedosas.

"¿Deberíamos copiar la biología? No. Pregúntele a un biólogo por eso", dijo Choset. "Lo que queremos es elegir los mejores principios e ir desde allí".

Juntos, Choset y Goldman, junto con Joseph Mendelson del zoológico de Atlanta, estudiaron el movimiento de las serpientes sidewinder, y en última instancia caracterizaron sus movimientos de giro brusco como una serie de ondas que cambian de forma. Aplicando ese conocimiento a la programación de sus serpientes robóticas, el equipo de Choset pudo hacer que treparan sobre montículos de arena, una tarea que antes era imposible. Comprender cómo las serpientes cambian la forma de su cuerpo para moverse también ha permitido que Choset construya robots de serpientes que puedan retorcer los postes y el interior de los dinteles de las puertas, algo que él considera eminentemente útil para explorar interiores peligrosos, por ejemplo, una planta de energía nuclear o confines inaccesibles de un sitio arqueológico.

"Me siento honrado por el hecho de que la biología es tan compleja y solo puedo esperar tomar un poco de ella y ponerla en nuestros robots", dijo Choset. "Pero no estamos replicando a los animales en el grado y la capacidad que tienen los animales. Lo que queremos es construir mecanismos y sistemas que tengan grandes capacidades".

Su descripción de sus propios avances y los logros y descubrimientos de sus alumnos como bastante fortuitos también se aplica a cómo robots como estos emergerán en el mundo a medida que maduren. Lentamente, en pequeños incrementos, la investigación está llegando allí, dijo.

"La evolución también es casual", afirmó Choset. "No hay un punto de inflexión, solo una secuencia de desarrollos que, visto desde afuera, parece un gran avance".

Un crossover crítico

En general, no se puede esperar que los ingenieros sepan cómo funciona la biología, lo que hace que la colaboración entre ingenieros y biólogos sea crítica. En la Universidad de Chicago, los estudios del biólogo Mark Westneat sobre los nabos, una clase de peces, llevaron a una colaboración con la Marina, lo que resultó en un dron submarino ágil pero de movimiento lento que puede flotar en su lugar. Conocidos como WANDA (que significa "Automatón de aleta deformable ágil cerca de la costa inspirado en Wrasse"), los drones como estos serán útiles para inspeccionar los cascos, muelles y plataformas petroleras de los barcos.

La fotografía de alta velocidad fue fundamental para el esfuerzo hace casi 20 años, cuando Westneat comenzó a hacer estudios de imágenes de los wrasses y antes de que la Marina se interesara por el trabajo. En un tanque de flujo con una corriente constante, que Westneat llama una "cinta de correr para los peces", los peces nadan felices, usando solo sus aletas pectorales para mantener una posición fija en el tanque, mientras que las cámaras de alta velocidad capturan cada detalle de ese movimiento a 1, 000 cuadros por segundo.

Foto: Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. / Victor Chen

En combinación con el conocimiento altamente detallado de los biólogos sobre la anatomía del pez (cómo se adhieren los rayos de sus aletas a sus músculos, cómo las terminaciones nerviosas en las membranas de las aletas transmiten tensiones y tensiones), la fotografía permite un conocimiento profundo de cómo exactamente los peces se impulsan por el agua con la torsión y la torsión de su característico movimiento de aleteo tipo pingüino. Jason Geder, ingeniero principal del proyecto WANDA en NRL, dice que la capacidad del pez de mantener el cuerpo inmóvil mientras mantiene su cuerpo inmóvil, incluso en corrientes fuertes o fluctuantes, lo convierte en una especie ideal para modelar para un nuevo tipo de vehículo submarino ágil.

"Los vehículos tradicionales impulsados ​​por hélices o propulsores no tienen ese tipo de maniobrabilidad o tienen un radio de giro demasiado alto", dijo Geder. "Este fue un buen pez para modelar, porque si quisiéramos tener un casco rígido para cargas útiles en el centro del vehículo, podríamos obtener un rendimiento similar simplemente usando este tipo de movimiento de aletas pectorales".

Westneat cree que la nueva capacidad fotográfica en 3D puede avanzar aún más en la investigación. "Para los peces, es vida o muerte, pero para nosotros, una mejor comprensión de la eficiencia puede significar una mejor potencia de la batería", dijo Westneat. "Realmente nos gustaría imitar de cerca la estructura esquelética subyacente y las propiedades mecánicas de las membranas y ver si podemos obtener una eficiencia súper alta".

Las colecciones biológicas de los museos son otro recurso rico e infrautilizado para los investigadores. El Smithsonian, por ejemplo, tiene casi 600, 000 especímenes solo en su colección de vertebrados, y Rolf Müller de Virginia Tech ha recurrido a estas existencias por su trabajo en drones inspirados en murciélagos. Usando escaneos 3D de orejas y narices de murciélago del Smithsonian, Mueller ha creado estructuras similares para su robot volador para ayudarlo a informar la retroalimentación a través de sus corridas de prueba guiadas en tirolina.

"Tienes estos millones de especímenes alineados en cajones, a los que puedes acceder muy rápidamente", dijo Müller. Ha estado involucrado en la creación de un consorcio de profesionales e investigadores de museos para ayudar a que colecciones como estas en todo el país sean más accesibles para el avance bioinspirado.

Y luego, no importa si la fuente está nadando en un tanque o en un cajón de almacenamiento, traducir esos datos a una forma útil sigue siendo un desafío. "Su ingeniero típico quiere especificaciones, pero el biólogo podría estar entregándoles dibujos anatómicos", dijo Westneat.

No fue sino hasta que comenzó a asistir a algunas de estas charlas de ingeniería que se dio cuenta de que su trabajo podía proporcionar datos mecánicos de los movimientos del pez que podrían traducirse en potencia y fuerzas del motor, los ingenieros de datos necesitan producir una máquina que funcione. "Esas son las cosas sobre las que puede actuar la selección natural, pero también marcan la diferencia entre el vehículo autónomo que regresa al barco o no".

De vuelta a la escuela

El aprendizaje, la memoria y la adaptación son otros desafíos por completo. De vuelta en el almacén convertido de la Marina, el equipo de MeRLIn todavía se dedica principalmente a los problemas de la miniaturización. Pero todos son muy conscientes de que el robot que imaginan no estaría completo sin la capacidad de aprender, recordar y adaptarse.

Henshaw, que cría ovejas en casa cuando no está en el laboratorio, dijo que ver a los corderos recién nacidos pasar de un montón húmedo a caminar en cuestión de horas subraya la dificultad de replicar artificialmente ese proceso. "No hay nadie que realmente entienda cómo funciona", dijo Henshaw sobre los cambios neuronales que requieren los corderos para adaptar continuamente su locomoción a los rápidos cambios de masa corporal a medida que crecen en ovejas. Un enfoque que su equipo está tomando para abordar esa estrategia es escribir un software que les permita cambiar la forma en que se generan los pasos de MeRLIn.

Por separado, Henshaw es parte de otro proyecto para desarrollar un sistema de aprendizaje inspirado biológicamente. Me mostró un video de una pierna robótica pateando una pelota en una pequeña portería de fútbol. Después de tres patadas programadas, la pierna patea la pelota por sí misma 78 veces más, eligiendo sistemáticamente sus propios objetivos y haciendo un seguimiento de sus éxitos y fracasos. Más refinado y aplicado a un robot como MeRLIn, un código como este facilitaría que un robot caminante se adapte solo a diferentes pesos de carga útil o longitudes de pierna, por ejemplo.

"Muchos proyectos tienen ecuaciones que determinan cómo optimizar el centro de gravedad o el movimiento a través de grandes ecuaciones matemáticas en tiempo real", dijo Henshaw. "Funciona, pero no es exactamente biológico. No puedo afirmar que el algoritmo que he escrito es precisamente lo que está sucediendo en el cerebro, pero parece que algo está sucediendo. Los humanos aprenden a trepar a los árboles y patearlos". bolas a través de la práctica, no la optimización numérica ".

El aprendizaje profundo y el acceso al conocimiento recopilado probablemente acelerarían este proceso, agregó Henshaw, pero nuevamente, el hardware no es lo suficientemente robusto o lo suficientemente pequeño como para caber en algo tan diminuto como MeRLIn. "Si quieres estos pequeños robots, no es tanto que tengamos que mejorar los algoritmos sino el hardware en el que se ejecutan", dijo. "De lo contrario, se necesitará una computadora demasiado grande, con baterías demasiado grandes, y simplemente no funcionará".

Un mercado emergente

Los atajos que proporciona la biología para crear plataformas corporales innovadoras y estrategias de locomoción también pueden ayudar a que los robots inspirados biológicamente sean más viables económicamente. Choset no es el único académico que ha creado una empresa para ayudar a avanzar aplicaciones prácticas para sus creaciones; de hecho, Eelume, fundada por la profesora de robótica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega, Kristin Ytterstad Pettersen, actualmente comercializa su propia serpiente de natación robótica para tareas de exploración e inspección bajo el agua. Y De y Kinneally fundaron Ghost Robotics, una compañía para comercializar Minitaur.

Las grandes compañías privadas también están entrando en el juego. Boston Engineering se encuentra en las etapas finales de las demostraciones de campo con su robot de inspección marina, denominado BioSwimmer. Este bot no está simplemente inspirado en un atún: todo su cuerpo exterior se basa en escaneos de un atún rojo de cinco pies de largo que fue capturado cerca de las oficinas de la compañía en Waltham, MA. Y como con un atún vivo, el poder de propulsión se origina en la cola, permitiendo que la mitad delantera del vehículo se apile con sensores y cargas útiles. Sin embargo, el objetivo no era imitar a un atún, sino aprovechar la eficiencia y el alto rendimiento del animal.

Mike Rufo, director del grupo de sistemas avanzados de Boston Engineering, dijo que los aspectos biológicos del diseño no facilitaron su construcción, pero tampoco agregó dificultades adicionales. Rufo afirma que la compañía construyó BioSwimmer (que mide cinco pies de largo y 100 libras) por aproximadamente el mismo costo que proyectos similares, alrededor de $ 1 millón, y que tendrá un precio similar al de otros vehículos de su tamaño. Pero las eficiencias de movimiento proporcionadas por la estrategia de propulsión inspirada en el atún le permiten operar por más tiempo en fuentes de energía estándar.

"Hay algunos obstáculos técnicos que se interponen en nuestro camino, colectivamente, con la robótica bioinspirada", dijo Rufo. "Pero la bioinspiración ofrece oportunidades para abordarlos directamente o para mejorar el rendimiento de una manera que mitigue el impacto de esos desafíos. Por ejemplo, a pesar de algunos avances realmente geniales en la tecnología de baterías, estamos en una meseta de cuánta potencia puede integrar en algo de un tamaño determinado. Pero si puede abordar la eficiencia de un sistema, entonces tal vez la batería no lo impacte tanto. Esa es un área donde la bioinspiración juega un papel importante ". Aún así, piensa que robots como estos no serán comunes, en aplicaciones de defensa o de otro modo, durante al menos los próximos cinco a 10 años.

Independientemente de los desafíos monumentales que deben superarse antes de que tengamos ayudantes robóticos no demasiado espeluznantes en nuestras vidas cotidianas, se han logrado grandes avances incluso en los últimos años para encapsular lo que la biología y la evolución han dejado en claro: la deslumbrante capacidad de los organismos para adaptarse y realizar.

"A veces parece Sisyphean, sí", dijo Westneat. "Miro a estos robots acuáticos, y me parecen torpes; pero luego, estoy acostumbrado a ver a estos elegantes animales nadando a través de un arrecife de coral. Pero no es demasiado indignante pensar que los ingenieros y los biólogos pueden reunirse y crear robots que arrojas al agua que nadan solos. Todo es emocionante ".