Robotterne, der løber denne vej

I pitlanen på Homestead-Miami speedway i Florida, inde på en bane, hvor racerbiler nogle gange kører med over 300 kilometer i timen, ser en lille skare noget betydeligt langsommere, men uden tvivl langt mere imponerende. En solrig lørdag morgen lige før jul overvejer en robot, der nogenlunde ligner en stor person, en midlertidig dør på asfalten foran. Den undersøger døren ved hjælp af en laserscanner og et par kameraer i hovedet; derefter, efter en længere pause, rækker robotten en skinnende aluminiumsarm ud, skubber døren op og træder langsomt igennem.

Robotten, kaldet Atlas og lavet af Boston Dynamics, konkurrerer i DARPA Robotics Contest, arrangeret af U.S. Defense Advanced Research Projects Agency. I weekenden forsøger robotter af forskellig form og design, alle fjernstyret, udfordringer, der skal teste grænserne for kunstig sansning, manipulation og smidighed. Hver opgave er inspireret af arbejde, der kunne hjælpe med at stoppe en lækage på et ramt atomkraftværk. Jobbene er tilsyneladende enkle, men ikke for robotter. I den ene skal maskinerne komme over en bunke murbrokker; i en anden skal de op på en høj stige.

Mange af robotterne kæmper for at fuldføre opgaverne uden at fejle, fryse eller vælte. Af alle de udfordringer, de står over for, er en af ​​de sværeste og potentielt vigtigste at mestre, simpelthen at gå over ujævn, ustabil eller bare rodet jord. Men Atlas-robotterne (flere akademiske grupper er gået ind i versioner af Boston Dynamics-maskinen) går på tværs af et sådant terræn med imponerende selvtillid.

Et par gange hver dag får publikum se to andre robotter med ben lavet af Boston Dynamics. I en demo traver en firbenet maskine på størrelse med en hest langs banen med flere store pakker; den blander smart med fødderne for at holde sig oprejst, når den øjeblikkeligt er ubalanceret af et kraftigt spark fra operatøren. I en anden kører en mindre, mere adræt firbenet maskine op med en høj dieselmotor og kører derefter manisk langs racerbanen som en stor kat og når hurtigt op på næsten 20 miles i timen.

Publikum, fyldt med robotforskere fra hele verden og nysgerrige medlemmer af offentligheden, gisper og klapper. Men gå- og løbeteknologien, der findes i maskinerne udviklet af Boston Dynamics, er mere end blot blændende. Hvis det kan forbedres, så kan disse robotter, og andre som dem, træde ud af forskningslaboratorier og befolke verden med smarte mobile maskiner. Det hjælper med at forklare, hvorfor Boston Dynamics et par dage før DARPA-udfordringen blev opkøbt af Google.

Del 1
At lære at hoppe

Et par måneder før DARPA-konkurrencen besøgte jeg Boston Dynamics, som indtager en almindeligt udseende bygning i udkanten af ​​en stille industripark i Waltham, Massachusetts, 20 minutters kørsel fra Boston. I indgangen ser firbenede robotter af forskellig form og størrelse ud til at stå vagt. Inden for det store værksted indeni fik snesevis af ingeniører rodet med alle mulige mekaniske dyr. I det ene hjørne brugte en lille firbenet maskine med en lang hals og en griber i stedet for et hoved vedhænget til at slynge askeblokke hen over gulvet.

Alle disse maskiner har deres oprindelse i banebrydende arbejde udført af Marc Raibert, grundlæggeren og teknologichefen for Boston Dynamics. På væggen af ​​Raiberts kontor, ved siden af ​​en stor plakat, der viser Atlas i store tekniske detaljer, er en lille plakat, der identificerer forskellige dinosaurer. Han husker, at han blev interesseret i dyrs bevægelse, mens han læste til en ph.d.-grad i hjerne- og kognitiv videnskabsafdelingen ved MIT i slutningen af ​​1970'erne, da to fremtrædende fysiologer kom for at tale om forskning i kattebevægelser. Fascineret af, hvordan en hjerne kan producere så ubesværet smidighed, udklækkede Raibert en plan om at begynde at bygge maskiner for at udforske fænomenet, da han fik et job som assisterende professor ved Carnegie Mellon University i 1980.

Andre akademikere havde bygget gangmaskiner. Nogle havde mange ben for at sikre, at det ikke ville bringe dem ud af balance ved at løfte et af dem for at gå frem. Andre bevægede sig ekstremt forsigtigt og bevidst for at opretholde en usikker balance. Maskinerne var klodsede, langsomme og i det hele taget en dårlig efterligning af de fleste biologiske bevægelser. I mange tilfælde ville selv det mindste glid eller skub få dem til at vælte.

Raibert demonstrerede en bemærkelsesværdig indsigt og besluttede, at hans første gårobot ikke ville være designet til at undgå den ustabilitet, som bevægelse kan introducere; det ville omfavne det. I stedet for seks ben eller endda fire, gav han den kun ét.

Robotten skulle hoppe på sit enkelt ben, vurdere sin egen bevægelse og orientering med hvert spring, og hurtigt justere positionen af ​​sit ben og krop samt mængden af ​​energi, dens ben ville bruge ved det næste hop. Beregningerne var overraskende enkle.

Bemærkelsesværdigt nok fungerede robotten perfekt og hoppede rundt som en besat pogo-pind. Mens den første version var begrænset i sin bevægelse, kunne den næste hoppe frit rundt i laboratoriet. Jeg kan stadig huske - jeg tror, ​​det var en dag i august i 1983, husker Raibert. Vi stod alle bare og grinede. Vi skubbede maskinen, og den kørte på tværs af lokalet, indtil den anden fyr fik den, og så skubbede han den tilbage.

Raibert vidste, at et springende dyr bliver ubalanceret, når det hopper og konstant skal tilpasse sig, og at det bruger tyngdekraften til at bevæge sig. Den rudimentære hopperobot løste de samme problemer, og den viste, hvordan man kan bygge mere adrætte maskiner. Det lignede for mig dynamikken i [biologisk bevægelse], hvor der er meget energi og bevægelse, hvor der vælter hele tiden - at det virkelig var de egenskaber, du ønskede at få, husker han.

Inspireret af tilgangens succes begyndte Raibert og hans elever at bygge andre benmaskiner ved hjælp af det, robotikere kalder dynamisk balance - en evne til at bruge bevægelse til at opretholde balancen. Den næste version travede med på to for- og to bagben. Andre robotter havde langt mere sofistikerede led, aktuatorer og kontrolsoftware.

I 1986 flyttede Raiberts Leg Lab fra CMU til MIT, hvor det udviklede andre robotter, der kunne gå, hoppe, løbe og hoppe på måder, der ofte virkede mærkeligt genkendelige. Maskiner havde navne inspireret af biologiske modstykker. Spring Flamingo og Spring Tyrkiet spankulerede rundt i laboratoriet som gigantiske fugle, mens Uniroo hoppede med en hale for balance, som en akavet, etbenet kænguru.

Raibert grundlagde Boston Dynamics i 1995, oprindeligt for at sælge simuleringssoftware udviklet i hans laboratorium. Men virksomheden rådførte sig også om kommercielle robotprojekter, herunder udviklingen af ​​AIBO og QRIO, robotlegetøj, som Sony lavede i henholdsvis 1999 og 2003. Og en kontrakt med DARPA i 2003 fik Boston Dynamics til at begynde at lave sine egne benmaskiner.

Del 2
Lær at løbe

Stor hund

I 2003, bevæbnet med en DARPA-kontrakt om at skabe et prototypekøretøj, der er i stand til at følge tropper på tværs af jorden, utilgængeligt for hjul- eller bæltekøretøjer, begyndte Boston Dynamics at udvikle BigDog, en firbenet maskine, der var nogenlunde på størrelse med en stor Berner Sennenhund. Robotten skulle være i stand til at navigere i rodet, uforudsigeligt terræn i den virkelige verden. Dette betød, at den skulle være hård, usædvanlig adræt, i stand til at bære sin egen strømkilde og i stand til at fornemme sin egen bevægelse - og miljøet - mere detaljeret end nogen af ​​de gåmaskiner, der blev bygget før.

De fleste af laboratorietingene havde vi lavet indtil BigDog var i et ret godartet laboratoriemiljø, siger Raibert. Det var rent, det var tørt, og det var fladt.

Den resulterende maskine blev drevet af en gokartmotor, og den brugte 69 sensorer til at overvåge bevægelsen af ​​dens ben, de kræfter, der udøves på disse lemmer, og faktorer, herunder temperatur og hydraulisk tryk. Ved at bruge dynamisk balance kunne den gå hen over sand, sne og endda is. Mest spektakulært kunne den blive på fødderne, når den fik et stærkt spark. BigDog kan fjernstyres, men dens balanceringsadfærd, ligesom andre Boston Dynamics-robotter, styres automatisk af en indbygget computer.

LS3

Med yderligere militær finansiering, herunder nogle penge fra marinesoldaterne, begyndte Boston Dynamics at bygge en større, mere kraftfuld version af BigDog i 2009. Døbt Alpha Dog, men officielt kaldet Legged Squad Support System, eller LS3, er robotten på størrelse med en hest og kan bære 180 kg, eller fire marinesoldaters fuldt læssede rygsække, i op til 20 miles om dagen over ujævnt terræn.

Ligesom BigDog bruger LS3 et laserafstandsinstrument eller lidar og stereovideokameraer i hovedet til at identificere forhindringer, kortlægge omgivelserne og følge en soldat, der går op til 45 meter foran, identificeret af et reflekterende plaster. Sidste sommer begyndte marinesoldaterne at teste LS3 på en ørkenbase i Californien og i skoven ved Fort Devens i Massachusetts. Disse tests har involveret simulerede kampmissioner med LS3 som et muldyr.

Vild kat

DARPA gav også finansiering til en mere mobil, smidig og hurtigere firbenet robot. Den første version, Cheetah, kan køre med 47 kilometer i timen på et løbebånd, mens den er fastgjort til en stabiliserende stang. Boston Dynamics udviklede en større, ubundet version, kaldet WildCat, i 2013. Ligesom Cheetah, bøjer WildCat sin krop for at forlænge sin skridt og øge sin hastighed. Den kan køre med 26 kilometer i timen med fjernbetjening. Boston Dynamics har lagt en video online af robotten, der springer og galopperer rundt på sin parkeringsplads.

Del 3
At lære at gå

I 1989 hjalp en af ​​Raiberts kandidatstuderende, Rob Playter, som havde været mestergymnast i Ohio State, ham med at bygge en fritgående, to-benet robot, der kunne udføre saltomortaler og andre akrobatiske bedrifter på et løbebånd eller mens han sprang rundt lab. Saltomortalen viste sig, indrømmer Raibert. Men det demonstrerede et kontrolniveau, der lovede at hjælpe robotter med at navigere i meget vanskeligere terræn. Det antydede også, hvordan maskiner en dag kan bevæge sig gennem miljøer designet til mennesker. Hjul er en fin måde at bevæge sig på, når jorden foran er flad og klar, men et hjul kan ikke nemt klatre op ad trapper eller komme forbi en væltet stol. Hvis robotter nogensinde skal bruges bredt i vores hjem, er det sandsynligt, at de bliver nødt til at gå.

Fordi vi indretter vores huse, så de passer til mennesker, er det meget vigtigt, at robotterne har de samme kompetencer til bevægelse og manipulation, som mennesker har, siger Gill Pratt, DARPA-programlederen med ansvar for robotudfordringen. Ben kan give en enorm fordel i forhold til hjul og spor; et ben har ikke brug for en kontinuerlig støttevej; et ben kan træde over ting, hvilket er en ekstraordinær ting at gøre.

Den specifikke inspiration til DARPA Robotics Challenge kom under dramatiske omstændigheder, da et jordskælv ramte ud for Japans kyst i marts 2011. Forsøg på at rense den beskadigede atomreaktor i Fukishima fremhævede begrænsningerne ved de bedste eksisterende robotter og viste behovet for maskiner der bedre kan navigere i den menneskelige verden. DARPA udtænkte sin udfordring for at inspirere robotter, der kunne hjælpe, hvis en sådan situation skulle opstå igen. Robotterne skal ikke kun være i stand til at arbejde i miljøer designet til mennesker, men også til at navigere på disse steder, efter at de er blevet alvorligt beskadiget.

Atlas klarede sig godt i Miami, men det er langt fra perfekt. For det første begrænser den kraft, der er nødvendig for at drive dets hydrauliske systemer, dets anvendelighed. Robotterne indsat i konkurrencen krævede hver især eksterne generatorer til at drive deres hydraulik; generatorerne er for store til at bære, relativt ineffektive og højlydte. Selvom fremtidige versioner af Atlas er beregnet til at bære deres egen strømkilde, vil dette stadig være en rudimentær løsning, indtil forskerne kan finde ud af, hvordan man gør maskinerne langt mere energieffektive.

Perception er en anden stor udfordring. Atlas bruger dynamisk balance, og den kan scanne sine omgivelser for forhindringer, men den måde, den bruger denne information til at navigere på, er stadig langsom og grov. Hvis du ser nogen danse eller klatre eller lave parkour, er vi utroligt langt [væk fra] en robot, der kan gøre det, siger Pratt.

Under DARPA-udfordringen opererede Atlas delvist selvstændigt, idet teams kunne give specifikke instruktioner og kommandere den til at udføre en opgave, men meget af robottens adfærd, inklusive dens rebalancering på et splitsekund, skete automatisk. DARPAs vision er, at redningsrobotter skal fungere på denne måde, hvor mennesker yder vejledning og assistance, men robotterne fungerer autonomt, når det er nødvendigt, såsom når en kommunikationsforbindelse svigter. Men hvis robotter nogensinde skal udføre den slags opgaver, som nogle forestiller sig – såsom at hjælpe ældre i hjemmet – bliver de nødt til at have evnen til at arbejde med endnu større autonomi.

Tilbage i pitlane, tæt på en garage, kommanderet af et supportteam fra Boston Dynamics, siger Raibert, at mennesker og dyr har ekstraordinær mobilitet, mere end noget menneskeskabt køretøj, så det giver mening at lave robotter med ben. Lad mig bare sige, at jeg tror, ​​at robotteknologiens fremtid må gå der, siger han, lige før en af ​​hans robotter begynder at gå sikkert hen over en bunke murbrokker. Du kan gøre ting nu uden det, men i sidste ende vil du virkelig have det, og det er det, vi håber at muliggøre.

Historie af
Will Knight

Front End-udvikling af
Drew Chandler

Hovedfotografering af
Adam DeTour

Yderligere fotografering og video med tilladelse fra
Boston Dynamics

Kreativ direktør
Eric Mongeon

Senior webproducent
Kyanna Sutton

Senior softwareingeniør
Molly Frey

skjule