211service.com
Naturkrefter
Suspendert over en tredemølle midt i Biomimetic Robotics Lab, venter Sangbae Kims mest kjente kreasjon på neste testkjøring. Cheetah III er en bunt av ledd, kretser og elektriske motorer. I likhet med dyret som deler navnet sitt, veier den firbeinte boten rundt 90 pund, og den er rask og kompetent. Designet for å hoppe over hindringer og ta seg gjennom vanskelige miljøer med hastigheter på opptil 3 meter per sekund, eller 6,7 miles per time, kan Cheetah III gå nesten hvor som helst et menneske kan gå, med minimal tilsyn, sier Kim.
For øyeblikket trenger den beskyttelse mot paparazzi, om ikke annet. Selv om de mangler funksjoner som pels og ører, opprettholder Cheetah-bots en pattedyrkarisma. Når man går ut – for å trave ned Massachusetts Avenue eller hoppe rundt på en MIT-fotballbane – har det en tendens til å trekke publikum. I Kims Ice Bucket Challenge-video fra 2014 stjeler en tidligere Cheetah-modell showet ved å sparke over bøtta. Labmedlemmer har tappet over vinduene i 5-017 slik at de kan få arbeidet gjort.
Kim, førsteamanuensis i maskinteknikk, henter ideene sine fra naturen. Biologien veileder oss mot det som kan være mulig, sier han. Det har hjulpet ham å lage maskiner som beveger seg som insekter, øgler og katter, for ikke å snakke om å samle hundretusenvis av YouTube-visninger. Men han vil ikke stoppe der. Kims siste forskning henter sine signaler fra et spesielt inspirerende dyr: mennesket.
Oppfinner beinet på nytt
I Biomimetic Robotics Lab i kjelleren i bygning 5 er Cheetah III omgitt av mer kjente maskiner. Kims laboratorium fungerer også som et lite produksjonsanlegg, med 3D-skrivere, en laserskjærer, en borepresse og en CNC-fresemaskin. Mens de fleste robotlaboratorier bruker prefabrikkerte deler, foretrekker Kim en DIY-tilnærming. Vi bygger stort sett alt vi har, sier han.
Dette er fornuftig når du lager og tester en ny mekanisk art: i løpet av en hard dag med trening pleide geparden å gå gjennom et helt sett med poteputer av polyuretan. (Nå har den gummi i stedet.) Men enda viktigere, gjør DIY-tilnærmingen lar teamet starte fra bunnen av, uhindret av forutsetningene innebygd i standard maskinvare. Hvordan den beveger seg er veldig forskjellig fra de fleste roboter, fordi vi faktisk designet systemet vårt selv, sier Kim.
De fleste av Cheetahs jevnaldrende er optimalisert for fabrikker. De produserer roboter, laget for å gjøre det samme settet med oppgaver om og om igjen, enten det er å pakke en pall eller skru inn en bolt. De er mye raskere, mer presise og mer konsistente enn mennesker, sier Kim. Men de samhandler faktisk ikke med miljøet eller objektene som vi gjør.
For å demonstrere utfører Kim en klassisk menneskelig handling: å ta den bærbare datamaskinen fra bordet. Han er tegneserieaktig klønete om det - underarmene hans slenger inn i bordets overflate, og hendene hans treffer sidene av skjermen - men både menneske og bærbar PC forblir uskadd. Så legger han den fra seg igjen og imiterer hvordan en fabrikkrobot ville nærme seg den samme oppgaven. Denne gangen glir han hendene med stor konsentrasjon, og bremser mens han går. Når han faktisk når objektet, beveger han seg knapt.
Å gå er en million ganger mer fantastisk enn jagerfly som flyr.
Et menneske kan bare ta tak i ting på et sekund eller mindre, sier han. Men en robot? Det må gå sakte, for det kan ikke kollidere. Den samme stivheten som gjør en fabrikkrobot konsistent hindrer den i å trygt absorbere energien som produseres av et støt. I stedet ender den energien opp med å bryte den, eller hva den prøver å samhandle med. Denne begrensningen er lammende for maskiner som ønsker å for eksempel gå: tross alt er hvert skritt en kollisjon, sier Kim. (Kjøretøy har også problemer med å takle bakken. Som Kim påpeker, har fly og båter luft og sjø, men vi har måttet jevne veien for landtransport med veier og jernbanespor.)
Sangbae Kims første Cheetah-prototype hadde et hode, en ryggrad og en hale. Den siste løper som en gepard, men ser ikke ut som et dyr lenger, sier han.
Når folk prøver å lage roboter som går og løper, starter de ofte med de samme elementene som i industrielle roboter. For eksempel, når det er på tide å velge en aktuator - den delen av en maskin som forvandler en energikilde til bevegelse - vil de gå med en hydraulisk: sterk og presis, men veldig stiv og ute av stand til å absorbere støt. De vil plassere aktuatoren ved robotens hofte og en kraftsensor ved foten. Når roboten går, finner kraftsensoren ut hvor hardt den treffer bakken og forteller aktuatoren, som justerer seg deretter.
Vanligvis fungerer imidlertid ikke denne strategien så bra. Du merker kraften her [ved foten], men aktuatoren din er langt unna og for treg, forklarer Kim. Det er ganske mye masse og dynamikk i mellom ... det blir ustabilt. (Han liker å slå dette poenget hjem med en supercut fra 2015 DARPA Robotics Challenge, der en serie dyre, imponerende tobeinte roboter velter som rolige Terminators.)
Så Kim bestemte seg for å starte på nytt og designe en ny type aktuator med forskjellige prioriteringer. Aktuatoren hans er mager og slem – den har høyt dreiemoment, så den kan generere mye rotasjonskraft, men den drives av en lettvekts elektrisk motor med minimal rotasjonstreghet, som lar den raskt endre hvor raskt den snurrer. Resten av benet til Cheetahen er designet for å være så lett og så lav friksjon som mulig, sier han.
Fordi benet er magert og lett, endres kraften som produseres av aktuatoren knapt når den kommer til foten, noe som gjør en kraftsensor unødvendig. Dette gir Cheetah raskere reflekser: den kan endre kraften den utøver omtrent 50 ganger raskere enn roboter som bruker både aktuatorer og kraftsensorer.
En mer klønete robot trenger en hel datasløyfe før den kan finne ut hvor hardt foten den har truffet fortauet og hva den skal gjøre videre. Men når geparden lander etter å ha hoppet over et hinder, kontrollerer føttene de nødvendige kreftene for å balansere og komme seg umiddelbart etter å ha kollidert med bakken, sier Kim. (Designet kan også absorbere energi mye lettere - når foten treffer bakken, går støtkraften tilbake oppover benet og inn i aktuatoren, og lader opp motoren i stedet for å bryte den.)
I stedet for å føle kraft, fokuserer geparden på å finne ut hvor den er i verdensrommet. Leddposisjonssensorer, akselerometre og gyroskoper mater konstant data inn i et sett med algoritmer, som fungerer for å bestemme når og hvor hardt hvert ben sannsynligvis vil treffe bakken neste gang. Når gepardens fot tråkker på noe uventet – for eksempel en stein som får kroppen til å vippe – hjelper denne informasjonen roboten å bestemme om den skal fortsette steget eller trekke seg tilbake. Hvis den forplikter seg til et trinn, starter en annen algoritme for å forutsi hvor mye kraft som skal brukes for å komme over objektet - eller hvilken kompenserende kraft som trengs for å justere balansen hvis den blir tråkket.
Dette settet med prioriteringer har gjort det mulig for Cheetah å gjøre ting de fleste andre roboter ikke kan, som trav og hopp. Den er også ekstremt effektiv - den bruker energi bare litt mindre fornuftig enn en faktisk gepard, og setter den ligaer foran andre roboter. Den kan til og med manøvrere rundt omgivelsene uten kameraer. I en høylyssnelle løper en blind gepard over en grusflekk, klatrer opp en trapp og retter seg gjentatte ganger mens et laboratoriemedlem propper den med en pinne. Kim kaller sin tilnærming proprioseptiv aktivering, etter den sjette sansen som gir mennesker bevissthet om kroppens posisjon i rommet.
Å oppnå en slik stabilitet krever at vi ofrer en viss nøyaktighet – vi har 10 % eller 15 % feil [av kraftkontroll] konstant, sier Kim. Selv om det kan være misfornøyd med noen ingeniører, er Cheetah så lett og energiabsorberende at den generelt kan tolerere feilraten, selv med store støt fra løping og hopping.
Å oversette atferden til levende skapninger til mekaniske termer krever et flerlags tankesett. Alle innen robotikk er veldig fokusert på sitt eget lille område – det er mange programvaregrupper som tror alt kan løses med kode, eller maskinvaregrupper med maskinvare, sier João Ramos, PhD '18, en av laboratoriets postdoktorer. Sangbae har en integrert utsikt. Hvis du vil løse problemet, må du tenke på det på konseptnivå, maskinvarenivå og programvare.
Dette paradigmeskiftet var mulig fordi jeg er maskiningeniør, sier Kim enig. Jeg tenker på dynamikken til stive kropper i stedet for [bare] å skrive programvare. Flere selskaper, inkludert Boston Dynamics, bruker nå aktuatordesignet hans også i deler av robotene sine.
Klatre opp
Kim ble vane med å se etter nye måter å gjøre ting på mens han vokste opp i Seoul, Sør-Korea, og bodde på en liten plass uten mange ressurser – eller et verksted. Jeg bygde mange ting, sier han. Jeg fant alle mulige måter å lage mine egne verktøy på. Han tok fra hverandre hvitevarer for å se om han kunne sette dem sammen igjen. Når vennene hans kjørte rundt med de radiostyrte bilene sine, la han magen opp og tukle med den.
Som student ved Yonsei University i Seoul designet han det som da var verdens billigste 3D-skanner. (Han tjente også sitt obligatoriske opphold i den sørkoreanske hæren, en opplevelse han sier forsterket hans avsky for byråkrati.) Han ble med i en oppstart som kommersialiserte skanneren, men kort tid etter å ha utviklet den første prototypen innså han at han foretrakk å finne opp fremfor å finjustere og bestemte seg for å gå tilbake til akademia.
Da han kom til Stanford for å studere i 2002, ønsket han å fortsette å jobbe med maskinvaredesign, men innså at mange oppgaver som en gang krevde å fikle med bevegelige deler nå skjedde på datamaskiner. Hva kan ikke erstattes av elektronikk? han sier. Hvis du må jobbe med noe som fysisk samhandler med miljøet, kan det ikke erstattes av et stykke kode eller en brikke ... Det er derfor jeg gikk inn i robotverdenen.
Kim begynte i Mark Cutkoskys Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory på Stanford. Jeg ble fascinert av hvordan dyr beveger seg, sier han. Jeg var fokusert på prinsippet «Å, dette er noe i dyr – la oss gjenskape det.» Han jobbet på en edderkopplignende klatremaskin og en sverm av kakerlakk-inspirerte roboter som kunne kjøre av seg selv. Senere, som postdoc ved Harvard, bygde han en autonom robotmeitemark. (Den beveger seg ved å klemme sammen segmentene som svar på en elektrisk strøm, og den er myk nok til å overleve å bli tråkket på.)
Men hans første store gjennombrudd var Stickybot, en robot som kan skalere vegger som en gekko. Som gepardbein, utretter gekkoføtter to vanskelige ting på en gang: de kan feste seg til en vegg med stor styrke, men de kan også løsne fra den med stor hastighet. Hvis du tenker på å bygge en klatredress - hvis du har veldig klissete hender, kan du klatre på veggen, men hvis hendene dine er så klissete, kan du ikke få av veggen, sier Kim. Men gekkoene løper opp.
Mini Cheetah, en mindre, tryggere, mer smidig gepard, er for forskning og utdanning. Data samles inn gjennom tether, og kontrollalgoritmer kan endres på samme måte.
I 2006 publiserte Kellar Autumn, en biolog ved Lewis & Clark College, et papir som beskriver nøyaktig hvordan gekkoer klarer det. Nøkkelen er i bittesmå hår på føttene, som er strukturert for å feste seg bare når de trekkes i én retning. Kim brukte prinsippet for å lage Stickybot og et lim han kaller gekkotape. Det er nok fortsatt favorittprosjektet mitt når det gjelder vitenskap, sier han. Vi utviklet et nytt materiale – et nytt konsept som ikke eksisterte før vi forsto gekkoen.
I 2009 begynte Kim på MIT-fakultetet, og i årevis møtte han ofte Rodney Brooks på Starbucks for å kaste rundt ideer. (Brooks, den tidligere direktøren for CSAIL, hadde reist for å grunnlegge Rethink Robotics i 2008.) Han tenker bredt, sier Brooks – og prøver ting som kan skremme andre mennesker. Brooks husker at på en Amazon-konferanse i 2017 bestemte Kim seg for å finne ut hvordan han skulle gi Cheetah-talekommandoer ved å bruke et Amazon-ekko. Da demoen hans kom neste morgen, var han i stand til å snakke med roboten sin for første gang, sier han. Det var et modig trekk.
Kim ble ansatt i 2016, og annethvert år underviser han i 2,74 (Bio-Inspired Robotics), som elevene har laget roboter for som svinger som en ape eller hopper som en kenguru. Han underviser også i 2.007 (Design og produksjon). Den store robotdesignklassen kulminerer i en temakonkurranse som alltid tiltrekker seg et publikum, og Kim og hans medinstruktør, Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, kler seg ut i kostymer for å få det til. I fjor spilte Kim Willy Wonka. Mange av forelesningene på høyt nivå han holdt handlet om hvordan man kan hente inspirasjon fra naturen, minnes Selam Gano '18, som tok sin biomimetikk-time i 2017. Han vil si ting som 'Når du forlater denne timen vil jeg at du bare skal stirre på hånden din og si, Wow, dette er utrolig!'... Han infiserer virkelig alle med hvor spent han er.
Press det til det ytterste
Noen ganger vet du ikke hvor utrolig noe egentlig er før det slutter å virke. For omtrent 15 år siden brakk Kim for eksempel akillessenen. Det kastet ham for en løkke: visst, han spilte basketball på den tiden, men han gjorde ikke noe fancy. Jeg bare gikk, sier han. Det var rart. Legen hans la ham hvile i sofaen i seks måneder.
Kim - som siden har byttet til tennis - er ikke en fan av sofahvile. Likevel fant han opplevelsen opplysende. Musklene dine er sterke nok til å rive ut sener og forskyve ledd hele tiden, sier han. Nervesystemene våre justerer alltid nøye mengden kraft du trenger for å generere. På en eller annen måte hadde kroppen hans forbigått dette, og han hadde presset seg forbi sine egne grenser. Men mesteparten av tiden beskytter vi oss selv. I motsetning til de klønete DARPA Challenge-robotene, klarer vi å ha både kraft og kontroll.
Jeg var fokusert på prinsippet 'Å, dette er noe i dyr - la oss gjenskape det.'
Dessuten, som gekkoer som skalerer en vegg, gjør vi dette uten engang å tenke på det. Å gå er en million ganger mer fantastisk enn jetjagerfly som flyr, sier Kim og rasler av en liste over våre underbevisste ferdigheter. Vi kan åpne dører uten å miste balansen. Vi kan jogge nedover gaten mens vi er distrahert. Vi kan spise frokost mens vi fortsetter en samtale, og vi tenker ikke «Å, jeg flytter denne lille potetklumpen tilbake til venstre side av tennene, slik at tennene kan knuse den til et stykke av rimelig størrelse, ' han sier. Vi tar for mange ting for gitt!
Vi trenger kanskje aldri en robot som tygger. Men hvis vi vil ha en som er god til å holde seg oppreist, kan det hjelpe å utnytte våre egne evner – slik et annet av Kims prosjekter gjør. HERMES (som står for høyeffektive robotmekanismer og elektromekanisk system) er en bipedal robot som bruker de samme unike aktuatorene som Cheetah. Men i stedet for å operere helt på egen hånd, styres den av et menneske, ved å bruke det Kim kaller et balansetilbakemeldingsgrensesnitt.
For å kontrollere HERMES, bærer en menneskelig operatør en spesiell bevegelsesdetektorvest og står på en plattform med innebygde kraftsensorer. Ved å spore og overføre bevegelsesdata i begge retninger gjennom ledninger, skaper vest og plattform en erfaringsmessig forbindelse mellom menneske og robot. Si at HERMES skal åpne en tung dør. Den menneskelige operatøren gjør en skyvebevegelse, og roboten følger etter. Når HERMES treffer døren, føler mennesket støtet og justerer balansen deretter. HERMES gjør de samme justeringene og unngår å velte. Algoritmer justerer de relevante kreftene slik at et menneske som har på seg vesten kan kontrollere en mindre robot, eller en firbeint.
På denne måten lar systemet både menneske og robot bringe sine styrker til situasjonen samtidig som de minimerer svakhetene deres. Mennesker er smarte og gode til å balansere og finmanipulere, men vi er ganske skjøre. Roboter er sterke og tøffe, men de trenger mye veiledning. Kim ønsker å kombinere denne teknologien med geparden, og erstatte det ene bena med en proprioseptiv robotarm han jobber med. Armen forbinder mennesket med maskinen i en mer delikat skala, og lar operatøren føle hva som skjer når roboten griper et tau eller vrir på en dørhåndtak.
Han ser for seg en førstehjelper som bruker disse verktøyene for å utforske et farlig område. Du har [VR]-briller, og kanskje talekommando: «Gepard, gå til rom 507,» sier han. Cheetahen tar seg raskt dit, beveger seg effektivt og unngår rusk. Den finner målet sitt: Å, det er en gasslekkasje, og du må lukke denne ventilen. Roboten kan deretter stå på tre ben mens mennesket manipulerer det fjerde beinet – som også fungerer som robotarmen – for å justere ventilen.
Dette er min store visjon: mobilitet på menneskelig nivå, for det meste autonom, med manipulasjonen for det meste utført av mennesker, sier Kim. Disse tre komponentene vil til slutt tillate oss å gjøre dette. Når de kan, legger han til, vil det åpne seg flere muligheter. Kim kan se for seg robotene sine i hjemmene til de eldre, fjernaktivert når det er nødvendig av en person i et kontrollrom: de kan gi både hjelp og privatliv til mennesker som trenger hjelp, men som fortsatt ønsker å leve for seg selv.
Eller kanskje gepardrobotene hans vil ende opp med å utføre farlig manuelt arbeid, veiledet av dyktige arbeidere som er forskanset på trygge steder i nærheten. Han spår at om to til tre år vil Cheetah III være i stand til å navigere i et strålingsfylt kraftverk; om et tiår bør etterfølgeren kunne utføre mer fysisk krevende arbeid, som å manipulere rusk. Og om 15 til 20 år, tror han, kan den komme inn i en brennende bygning og redde folk.
Men Kim har sluttet å fokusere på å kopiere andre skapninger direkte. Da jeg først så for meg roboten min løpende, galopperende som en gepard, tenkte jeg alltid på denne vakre kroppsbøyningen, sier han. Han skjønte imidlertid raskt at en smidig ryggrad ikke ville gjøre boten hans bedre i den endelige jobben. Det samme gjelder andre detaljer: I begynnelsen så jeg på hver beinform, baner og så videre, sier han. Jeg ser fortsatt på mange biologistudier for å virkelig forstå hva som skjer. Men han behandler dem mer som inspirasjon enn instruksjonshefter: Nå tenker jeg: 'Ok, fire ben er bra.'