Naturens Kræfter

Ophængt over et løbebånd midt i Biomimetic Robotics Lab venter Sangbae Kims mest kendte kreation på sin næste testkørsel. Cheetah III er et bundt af led, kredsløb og elektriske motorer. Ligesom dyret, der deler sit navn, vejer den firbenede bot omkring 90 pund, og den er hurtig og kompetent. Designet til at springe over forhindringer og bane sig vej gennem vanskelige miljøer med hastigheder på op til 3 meter i sekundet eller 6,7 miles i timen, kan Cheetah III gå næsten overalt, hvor et menneske kan gå, med minimal overvågning, siger Kim.

I øjeblikket har den brug for beskyttelse mod paparazzi, om ikke andet. Selvom de mangler funktioner som pels og ører, opretholder Cheetah-bots en pattedyrkarisma. Når man går ud - for at trave ned af Massachusetts Avenue eller springe rundt på en MIT-fodboldbane - har det en tendens til at tiltrække en menneskemængde. I Kims Ice Bucket Challenge-video fra 2014 stjæler en tidligere Cheetah-model showet ved at sparke over spanden. Laboratoriemedlemmer har papiret over vinduerne i 5-017, så de kan få arbejdet udført.

Kim, der er lektor i maskinteknik, får sine ideer fra naturen. Biologien guider os mod, hvad der kan være muligt, siger han. Det har hjulpet ham med at lave maskiner, der bevæger sig som insekter, firben og katte, for ikke at tale om at samle hundredtusindvis af YouTube-visninger. Men han ønsker ikke at stoppe der. Kims seneste forskning tager udgangspunkt i et særligt inspirerende dyr: mennesket.

Genopfinde benet
I Biomimetic Robotics Lab i kælderen i Bygning 5 er Cheetah III omgivet af mere velkendte maskiner. Kims laboratorium fungerer som en lille produktionsfacilitet med 3-D-printere, en laserskærer, en borepresse og en CNC-fræser. Mens de fleste robotlaboratorier bruger præfabrikerede dele, foretrækker Kim en gør-det-selv tilgang. Vi bygger stort set alt, hvad vi har, siger han.

Dette er klogt, når du laver og tester en ny mekanisk art: i løbet af en hård dag med træning plejede geparden at gennemgå et helt sæt polyurethan-potepuder. (Det har nu gummi i stedet.) Men endnu vigtigere, gør-det-selv-tilgangen tillader holdet at starte fra bunden, uhindret af antagelserne indbygget i standard hardware. Hvordan det bevæger sig, er virkelig anderledes end de fleste robotter, fordi vi faktisk har designet vores system selv, siger Kim.

De fleste af Cheetahs jævnaldrende er optimeret til fabrikker. De fremstiller robotter, lavet til at udføre det samme sæt opgaver igen og igen, uanset om det er at pakke en palle eller skrue en bolt i. De er meget hurtigere, mere præcise og mere konsekvente end mennesker, siger Kim. Men de interagerer faktisk ikke med deres miljø eller objekter, som vi gør.

For at demonstrere udfører Kim en klassisk menneskelig handling: at få fat i sin bærbare computer fra bordet. Han er tegneserieagtigt klodset omkring det - hans underarme smækker ind i bordets overflade, og hans hænder rammer siderne af skærmen - men både menneske og bærbar computer forbliver uskadt. Så lægger han den tilbage og imiterer, hvordan en fabriksrobot ville gribe den samme opgave an. Denne gang glider han med hænderne med stor koncentration og aftager, mens han går. På det tidspunkt, hvor han faktisk når objektet, bevæger han sig næsten ikke.

Din gåtur er en million gange mere fantastisk end jetjager, der flyver.

Et menneske kan bare få fat i ting på et sekund eller mindre, siger han. Men en robot? Det skal være langsomt, for det kan ikke støde sammen. Den samme stivhed, som gør en fabriksrobot konsistent, forhindrer den i sikkert at absorbere den energi, der produceres ved et stød. I stedet ender den energi med at bryde den, eller hvad den nu forsøger at interagere med. Denne begrænsning er lammende for maskiner, der vil for eksempel gå: Hvert skridt er trods alt en kollision, siger Kim. (Køretøjer har også problemer med at klare jorden. Som Kim påpeger, har fly og både luft og hav, men vi har været nødt til at udjævne vejen for landtransport med veje og jernbanespor.)

Sangbae Kims første Cheetah-prototype havde et hoved, en rygsøjle og en hale. Den seneste løber som en gepard, men ligner ikke et dyr længere, siger han.

Når folk forsøger at lave robotter, der går og løber, starter de ofte med de samme elementer som dem i industrielle bots. For eksempel, når det er tid til at vælge en aktuator - den del af en maskine, der omdanner en energikilde til bevægelse - vil de gå med en hydraulisk: stærk og præcis, men meget stiv og ude af stand til at absorbere stød. De sætter aktuatoren ved robottens hofte og en kraftsensor ved foden. Når robotten går, finder kraftsensoren ud af, hvor hårdt den rammer jorden og fortæller aktuatoren, som justerer i overensstemmelse hermed.

Generelt fungerer denne strategi dog ikke for godt. Du fornemmer kraften her [ved foden], men din aktuator er langt væk og for langsom, forklarer Kim. Der er en del masse og dynamik imellem ... det bliver ustabilt. (Han kan lide at slå dette point hjem med en supercut fra 2015 DARPA Robotics Challenge, hvor en række dyre, imponerende tobenede robotter vælter som beroligede Terminators.)

Så Kim besluttede at starte forfra og designe en ny type aktuator med forskellige prioriteter. Hans aktuator er mager og middel - den har et højt drejningsmoment, så den kan generere en masse rotationskraft, men den er drevet af en letvægts elektrisk motor med minimal rotationsinerti, som lader den hurtigt ændre, hvor hurtigt den drejer. Resten af ​​Cheetahens ben er designet til at være så let og så lav friktion som muligt, siger han.

Fordi benet er tyndt og let, ændres kraften produceret af aktuatoren næsten ikke, når den når foden, hvilket gør en kraftsensor unødvendig. Dette giver Cheetah hurtigere reflekser: den kan ændre mængden af ​​kraft, den udøver omkring 50 gange hurtigere end robotter, der bruger både aktuatorer og kraftsensorer.

En mere klodset robot har brug for en hel datasløjfe at sparke ind, før den kan finde ud af, hvor hårdt dens fod lige har ramt fortovet, og hvad den skal gøre derefter. Men når geparden lander fra at hoppe over en forhindring, kontrollerer fødderne de nødvendige kræfter til at balancere og komme sig umiddelbart efter at have kollideret med jorden, siger Kim. (Designet kan også absorbere energi meget lettere - når foden rammer jorden, bevæger slagkraften sig tilbage op ad benet og ind i aktuatoren og genoplader motoren i stedet for at bryde den.)

I stedet for at føle kraft, fokuserer geparden på at finde ud af, hvor den er i rummet. Ledpositionssensorer, accelerometre og gyroskoper føder konstant data ind i et sæt algoritmer, som arbejder for at bestemme, hvornår og hvor hårdt hvert ben sandsynligvis vil ramme jorden næste gang. Når gepardens fod træder på noget uventet - for eksempel en sten, der får dens krop til at vippe - hjælper denne information robotten med at beslutte, om den skal fortsætte sit skridt eller trække sig tilbage. Hvis den forpligter sig til et trin, begynder en anden algoritme at forudsige, hvor meget kraft der skal påføres for at komme over objektet - eller hvilken kompenserende kraft der er nødvendig for at justere dens balance, hvis den bliver stødt.

Dette sæt prioriteter har gjort det muligt for geparden at gøre ting, som de fleste andre bots ikke kan, såsom trav og spring. Den er også ekstremt effektiv - den bruger kun energi lidt mindre fornuftigt end en egentlig gepard, hvilket sætter den i ligaer foran andre robotter. Den kan endda manøvrere rundt i omgivelserne uden kameraer. I et højdepunktshjul løber en blind gepard hen over en grusplads, klatrer op ad en trappe og retter sig gentagne gange, mens et laboratoriemedlem propper den med en pind. Kim kalder sin tilgang proprioceptiv aktivering, efter den sjette sans, der giver mennesker bevidsthed om vores kroppes position i rummet.

At opnå en sådan stabilitet kræver, at man ofrer en vis nøjagtighed – vi har en 10 % eller 15 % fejl [af kraftkontrol] konstant, siger Kim. Selvom det måske er utilfreds med nogle ingeniører, er Cheetah'en så let og energiabsorberende, at den generelt kan tolerere fejlraten, selv med kraftige stød fra løb og hop.

At oversætte levende væseners adfærd til mekaniske termer kræver en flerlags tankegang. Alle inden for robotteknologi er meget fokuserede på deres eget lille område - der er mange softwaregrupper, der tror, ​​at alt kan løses med kode, eller hardwaregrupper med hardware, siger João Ramos, PhD '18, en af ​​laboratoriets postdocs. Sangbae har en integreret udsigt. Hvis du vil løse problemet, skal du tænke over det på et konceptniveau, et hardwareniveau og software.

Dette paradigmeskift var muligt, fordi jeg er maskiningeniør, erklærer Kim. Jeg tænker på dynamikken i stive kroppe i stedet for [kun] at skrive software. Flere virksomheder, herunder Boston Dynamics, bruger nu også hans aktuatordesign i dele af deres robotter.

Klatring op
Kim fik for vane at lede efter nye måder at gøre tingene på, mens han voksede op i Seoul, Sydkorea, hvor han boede i et lille rum uden mange ressourcer – eller et værksted. Jeg byggede mange ting, siger han. Jeg fandt alle mulige måder at skabe mine egne værktøjer på. Han adskilte husholdningsapparater for at se, om han kunne sætte dem sammen igen. Når hans venner kørte rundt med deres radiostyrede biler, satte han maven op og pillede ved den.

Som studerende ved Yonsei University i Seoul designede han det, der dengang var verdens billigste 3-D-scanner. (Han tjente også sit obligatoriske ophold i den sydkoreanske hær, en oplevelse, som han siger, forstærkede hans afsky for bureaukrati.) Han sluttede sig til en startup, der kommercialiserede scanneren, men kort efter at have udviklet den første prototype indså, at han foretrak at opfinde frem for at finjustere og besluttede at vende tilbage til den akademiske verden.

Da han kom til Stanford for at studere i 2002, ønskede han at blive ved med at arbejde med hardwaredesign, men indså, at mange opgaver, der engang krævede at pille ved bevægelige dele, nu fandt sted på computere. Hvad kan ikke erstattes af elektronik? han siger. Hvis du skal arbejde på noget, der fysisk interagerer med miljøet, kan det ikke erstattes af et stykke kode eller en chip ... Det er derfor, jeg trådte ind i robotverdenen.

Kim sluttede sig til Mark Cutkoskys Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory i Stanford. Jeg var fascineret af, hvordan dyr bevæger sig, siger han. Jeg var fokuseret på princippet ’Åh, det er noget i dyr – lad os replikere det.’ Han arbejdede på en edderkoppelignende klatremaskine og en sværm af kakerlak-inspirerede bots, der kunne køre af sig selv. Senere, som postdoc ved Harvard, byggede han en autonom robotregnorm. (Den bevæger sig ved at klemme dens segmenter som reaktion på en elektrisk strøm, og den er blød nok til at overleve at blive trådt på.)

Men hans første store gennembrud var Stickybot, en robot, der kan skalere vægge som en gekko. Ligesom gepardben udretter gekkofødder to svære ting på én gang: de kan klæbe til en væg med stor styrke, men de kan også løsne sig fra den med stor hastighed. Hvis du tænker på at bygge en klatredragt - hvis du har virkelig klæbrige hænder, kan du klatre op på væggen, men hvis dine hænder er så klæbrige, kan du ikke få af væggen, siger Kim. Men gekkoerne løber op.

Mini Cheetah, en mindre, sikrere og mere adræt gepard, er til forskning og uddannelse. Data indsamles gennem dets tøjring, og kontrolalgoritmer kan ændres på samme måde.

I 2006 udgav Kellar Autumn, en biolog ved Lewis & Clark College, et papir, der beskriver præcis, hvordan gekkoer klarer det. Nøglen er i bittesmå hår på fødderne, som er struktureret til kun at klæbe, når de trækkes i én retning. Kim brugte princippet til at skabe Stickybot og et klæbemiddel, han kalder gekkotape. Det er nok stadig mit yndlingsprojekt i forhold til videnskab, siger han. Vi udviklede et nyt materiale - et nyt koncept, der ikke eksisterede, før vi forstod gekkoen.

I 2009 kom Kim til MIT-fakultetet, og i årevis mødtes han ofte med Rodney Brooks på Starbucks for at kaste rundt med ideer. (Brooks, den tidligere direktør for CSAIL, var gået af sted for at stifte Rethink Robotics i 2008.) Han tænker bredt, siger Brooks - og prøver ting, der kan skræmme andre mennesker. Brooks minder om, at Kim på en Amazon-konference i 2017 besluttede at finde ud af, hvordan man giver Cheetah-talekommandoer ved hjælp af et Amazon-ekko. Da hans demo kom næste morgen, var han i stand til at tale med sin robot for første gang, siger han. Det var et modigt træk.

Kim fik ansættelse i 2016, og hvert andet år underviser han i 2.74 (Bio-Inspired Robotics), som eleverne har lavet bots til, der svinger som en abe eller hopper som en kænguru. Han underviser også i 2.007 (Design og fremstilling). Den klassiske robotdesignklasse kulminerer i en temakonkurrence, der altid tiltrækker publikum, og Kim og hans medinstruktør, Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, klæder sig ud i kostumer for at blive det. Sidste år spillede Kim Willy Wonka. Mange af de foredrag på højt niveau, han holdt, handlede om, hvordan man henter inspiration fra naturen, husker Selam Gano '18, som tog sin biomimetiktime i 2017. Han vil sige ting som 'Når du forlader denne klasse, vil jeg have, at du bare stirre på din hånd og være som, Wow, det er utroligt!'... Han inficerer virkelig alle med, hvor begejstret han er.

Skub det til det yderste
Nogle gange ved man ikke, hvor utroligt noget egentlig er, før det holder op med at virke. For cirka 15 år siden brækkede Kim for eksempel sin akillessene. Det kastede ham en løkke: selvfølgelig spillede han basketball på det tidspunkt, men han lavede ikke noget fancy. Jeg gik bare, siger han. Det var mærkeligt. Hans læge satte ham i seks måneders hvile på sofaen.

Kim - der siden er skiftet til tennis - er ikke fan af sofahvile. Alligevel fandt han oplevelsen oplysende. Dine muskler er stærke nok til at rive sener ud og rykke led hele tiden, siger han. Vores nervesystemer justerer altid omhyggeligt den mængde kraft, du skal generere. På en eller anden måde havde hans krop omgået dette, og han havde presset sig forbi sine egne grænser. Men det meste af tiden beskytter vi os selv. I modsætning til de klodsede DARPA Challenge-robotter formår vi at have både magt og kontrol.

Jeg var fokuseret på princippet 'Åh, det er noget i dyr - lad os gentage det.'

Hvad mere er, ligesom gekkoer, der skalerer en væg, gør vi dette uden overhovedet at tænke over det. Din gang er en million gange mere fantastisk end jetjagere, der flyver, siger Kim og rasler en liste over vores underbevidste færdigheder af. Vi kan åbne døre uden at miste balancen. Vi kan jogge ned ad gaden, mens vi er distraherede. Vi kan spise morgenmad, mens vi fører en samtale, og vi tænker ikke 'Åh, jeg flytter denne lille klump kartoffel tilbage til venstre side af tænderne, så tænderne kan knuse den til et stykke af rimelig størrelse, ' han siger. Vi tager for mange ting for givet!

Vi har måske aldrig brug for en robot, der tygger. Men hvis vi vil have en, der er god til at holde sig oprejst, kan det måske hjælpe at udnytte vores egne evner – som et andet af Kims projekter gør. HERMES (som står for højeffektive robotmekanismer og elektromekanisk system) er en tobenet robot, der bruger de samme unikke aktuatorer som Cheetah. Men i stedet for at fungere helt alene, styres den af ​​et menneske, der bruger det, Kim kalder en balancefeedback-grænseflade.

For at kontrollere HERMES bærer en menneskelig operatør en speciel bevægelsesdetektorvest og står på en platform med indbyggede kraftsensorer. Ved at spore og overføre bevægelsesdata i begge retninger gennem ledninger, skaber vest og platform en erfaringsmæssig forbindelse mellem menneske og robot. Sig at HERMES skal åbne en tung dør. Den menneskelige operatør laver en skubbebevægelse, og robotten følger trop. Når HERMES rammer døren, mærker mennesket påvirkningen og justerer balancen derefter. HERMES foretager de samme justeringer og undgår at vælte. Algoritmer justerer de relevante kræfter, så et menneske, der bærer vesten, kan styre en mindre robot eller en firbenet.

På denne måde giver systemet både mennesket og bot mulighed for at bringe deres styrker til situationen og samtidig minimere deres svagheder. Mennesker er smarte og gode til at balancere og finmanipulere, men vi er ret skrøbelige. Robotter er stærke og seje, men de har brug for en masse retning. Kim ønsker at kombinere denne teknologi med geparden, og erstatte det ene af dens ben med en proprioceptiv robotarm, han arbejder på. Armen forbinder mennesket med maskinen i en mere delikat skala, og lader operatøren mærke, hvad der sker, når robotten griber et reb eller drejer et dørhåndtag.

Han forestiller sig en førstehjælper, der bruger disse værktøjer til at udforske et farligt område. Du har [VR]-briller, og måske stemmekommando: 'Gepard, gå til værelse 507', siger han. Geparden kommer hurtigt dertil, bevæger sig effektivt og undgår affald. Den finder sit mål: Åh, der er en gaslækage, og du skal lukke denne ventil. Botten kan derefter stå på tre ben, mens mennesket manipulerer det fjerde ben - som også fungerer som robotarmen - for at justere ventilen.

Dette er min store vision: mobilitet på menneskeligt niveau, for det meste autonom, med manipulation for det meste udført af mennesker, siger Kim. Disse tre komponenter vil i sidste ende give os mulighed for at gøre dette. Når de kan, tilføjer han, vil der åbne sig flere muligheder. Kim kan forestille sig sine robotter i de ældres hjem, fjernaktiveret, når det er nødvendigt af en person i et kontrolrum: de kunne give både hjælp og privatliv til mennesker, der har brug for assistance, men som stadig ønsker at bo for sig selv.

Eller måske ender hans gepard-bots med at udføre farligt manuelt arbejde, guidet af dygtige arbejdere, der er indlejret på sikre steder i nærheden. Han forudser, at om to til tre år vil Cheetah III være i stand til at navigere i et strålingsfyldt kraftværk; om et årti burde dens efterfølger være i stand til at udføre mere fysisk krævende arbejde, såsom at manipulere affald. Og om 15 til 20 år, tror han, kan den trænge ind i en brændende bygning og redde folk.

Men Kim er holdt op med at fokusere på at kopiere andre skabninger direkte. Da jeg først forestillede mig, at min robot løb og galopperede som en gepard, tænkte jeg altid på, at denne smukke krop bøjede sig, siger han. Han indså dog hurtigt, at en smidig rygrad ikke ville gøre hans bot bedre til sit endelige job. Det samme gælder for andre detaljer: I begyndelsen ville jeg se på hver enkelt knogleform, baner og så videre, siger han. Jeg kigger stadig på mange biologistudier for virkelig at forstå, hvad der foregår. Men han behandler dem mere som inspiration end instruktionshæfter: Nu er jeg sådan: 'Okay, fire ben er godt.'

skjule