211service.com
De robots die deze kant op rennen
In de pitlane van de Homestead-Miami speedway in Florida, op een circuit waarop raceauto's soms meer dan 300 kilometer per uur rijden, kijkt een kleine menigte naar iets dat aanzienlijk langzamer is, maar misschien wel veel indrukwekkender. Op een zonnige zaterdagochtend, net voor Kerstmis, overweegt een robot die ongeveer op een groot persoon lijkt, een geïmproviseerde deur op het asfalt verderop. Het onderzoekt de deur met behulp van een laserscanner en een paar camera's in zijn hoofd; dan, na een lange pauze, strekt de robot een glanzende aluminium arm uit, duwt de deur open en stapt langzaam naar binnen.
De robot, Atlas genaamd en gemaakt door Boston Dynamics, doet mee aan de DARPA Robotics Contest, georganiseerd door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency. In het weekend proberen robots van verschillende vorm en ontwerp, allemaal op afstand bestuurd, uitdagingen aan die bedoeld zijn om de grenzen van kunstmatige waarneming, manipulatie en behendigheid te testen. Elke taak is geïnspireerd op werk dat zou kunnen helpen een lek in een getroffen kerncentrale te dichten. De banen zijn ogenschijnlijk eenvoudig, maar niet voor robots. In de ene moeten de machines over een puinhoop komen; in een andere moeten ze een hoge ladder beklimmen.
Veel van de robots hebben moeite om de taken uit te voeren zonder defect te raken, te bevriezen of om te vallen. Van alle uitdagingen waarmee ze worden geconfronteerd, is een van de moeilijkste en mogelijk belangrijkste om onder de knie te krijgen, gewoon lopen over oneffen, onstabiele of gewoon rommelige grond. Maar de Atlas-robots (verschillende academische groepen hebben versies van de Boston Dynamics-machine ingevoerd) lopen met indrukwekkend vertrouwen over dergelijk terrein.
Een paar keer per dag krijgt het publiek twee andere pootrobots te zien, gemaakt door Boston Dynamics. In één demo draaft een vierpotige machine ter grootte van een paard over de baan met verschillende grote pakken; hij schuift slim met zijn voeten om rechtop te blijven wanneer hij even uit balans is door een flinke trap van de operator. In een ander voorbeeld laat een kleinere, wendbare vierpotige machine een luide dieselmotor op gang komen, en vervolgens als een grote kat als een grote kat als een razende over het circuit raast, met een snelheid van bijna 20 mijl per uur.
De menigte, gevuld met robotica-onderzoekers van over de hele wereld en nieuwsgierige leden van het publiek, hapt naar adem en applaudisseert. Maar de loop- en hardlooptechnologie in de machines die door Boston Dynamics zijn ontwikkeld, is meer dan alleen oogverblindend. Als het kan worden verbeterd, kunnen deze robots, en anderen zoals zij, onderzoekslaboratoria verlaten en de wereld bevolken met slimme mobiele machines. Dat verklaart waarom een paar dagen voor de DARPA Challenge Boston Dynamics werd overgenomen door Google.
Deel 1
Leren hoppen
Een paar maanden voor de DARPA-wedstrijd bezocht ik Boston Dynamics, dat is gevestigd in een gewoon ogend gebouw aan de rand van een rustig industriepark in Waltham, Massachusetts, op 20 minuten rijden van Boston. Bij de ingang lijken vierpotige robots van verschillende vormen en afmetingen de wacht te houden. In de grote werkplaats binnenin sleutelden tientallen ingenieurs aan allerlei mechanische beesten. In een hoek gebruikte een kleine vierpotige machine met een lange nek en een grijper in plaats van een kop het aanhangsel om sintelblokken over de vloer te slingeren.
Al deze machines vinden hun oorsprong in het baanbrekende werk van Marc Raibert, de oprichter en chief technology officer van Boston Dynamics. Aan de muur van Raiberts kantoor, naast een grote poster waarop Atlas tot in grote technische details is te zien, hangt een kleine poster waarop verschillende dinosauriërs zijn afgebeeld. Hij herinnert zich dat hij geïnteresseerd raakte in het voortbewegen van dieren toen hij eind jaren zeventig studeerde voor een doctoraat in de afdeling hersen- en cognitieve wetenschappen aan het MIT, toen twee vooraanstaande fysiologen kwamen praten over onderzoek naar het voortbewegen van katten. Gefascineerd door hoe een brein zo'n moeiteloze behendigheid kan produceren, bedacht Raibert een plan om machines te gaan bouwen om het fenomeen te verkennen toen hij in 1980 een baan kreeg als assistent-professor aan de Carnegie Mellon University.
Andere academici hadden loopmachines gebouwd. Sommigen hadden veel benen, om ervoor te zorgen dat het optillen van een van hen om vooruit te lopen hen niet uit hun evenwicht zou brengen. Anderen bewogen uiterst voorzichtig en weloverwogen om een precair evenwicht te bewaren. De machines waren onhandig, traag en al met al een slechte imitatie van de meeste biologische voortbeweging. In veel gevallen zou zelfs de geringste slip of duw ervoor zorgen dat ze omvallen.
Raibert demonstreerde een opmerkelijk inzicht en besloot dat zijn eerste lopende robot niet ontworpen zou zijn om de instabiliteit die beweging kan veroorzaken te vermijden; het zou het omarmen. In plaats van zes of zelfs vier, gaf hij er maar één.
De robot zou op zijn enkele been moeten stuiteren, zijn eigen beweging en oriëntatie bij elke sprong moeten beoordelen, en snel de positie van zijn been en lichaam moeten aanpassen, evenals de hoeveelheid energie die zijn been zou verbruiken bij de volgende sprong. De berekeningen waren verrassend eenvoudig.
Opmerkelijk was dat de robot perfect werkte en rondhuppelde als een bezeten pogo-stick. Terwijl de eerste versie beperkt in beweging was, kon de volgende vrij door het lab huppelen. Ik kan het me nog herinneren - ik denk dat het een dag in augustus in 1983 was, herinnert Raibert zich. We stonden allemaal gewoon te grijnzen. We zouden de machine duwen en deze zou door de kamer reizen totdat de andere man hem kreeg en dan zou hij hem terugduwen.
Raibert wist dat een springend dier uit balans raakt als het springt en zich voortdurend moet aanpassen, en dat het de zwaartekracht gebruikt om zich voort te bewegen. De rudimentaire huppelrobot loste dezelfde problemen op en liet zien hoe je meer wendbare machines kon bouwen. Het leek me de dynamiek van [biologische beweging], waar veel energie en beweging is, waar de hele tijd kantelt - dat dat echt de kenmerken waren die je wilde krijgen, herinnert hij zich.
Geïnspireerd door het succes van de aanpak begonnen Raibert en zijn studenten andere poten te bouwen met behulp van wat robotici dynamische balans noemen: een vermogen om beweging te gebruiken om het evenwicht te bewaren. De volgende versie draafde voort op twee voor- en twee achterpoten. Andere robots hadden veel geavanceerdere gewrichten, actuatoren en besturingssoftware.
In 1986 verhuisde het Leg Lab van Raibert van CMU naar MIT, waar het andere robots ontwikkelde die konden lopen, stuiteren, rennen en springen op manieren die vaak vreemd herkenbaar leken. Machines hadden namen die waren geïnspireerd op biologische tegenhangers. Spring Flamingo en Spring Turkey zouden als reusachtige vogels door het laboratorium lopen, terwijl Uniroo voorthuppelde met een staart voor evenwicht, als een onhandige, eenbenige kangoeroe.
Raibert richtte Boston Dynamics op in 1995, aanvankelijk om simulatiesoftware te verkopen die in zijn laboratorium was ontwikkeld. Maar het bedrijf adviseerde ook over commerciële robotprojecten, waaronder de ontwikkeling van AIBO en QRIO, robotspeelgoed dat Sony in respectievelijk 1999 en 2003 maakte. En een contract met DARPA, in 2003, zorgde ervoor dat Boston Dynamics zijn eigen pootmachines begon te maken.
Deel 2
Leren rennen
Grote hond
In 2003 begon Boston Dynamics, gewapend met een DARPA-contract voor het maken van een prototype van een voertuig dat troepen kan volgen over grond die ontoegankelijk is voor voertuigen op wielen of rupsbanden, BigDog, een vierpotige machine die ongeveer zo groot is als een grote Berner Sennenhond. De robot moest door rommelig, onvoorspelbaar terrein in de echte wereld kunnen navigeren. Dit betekende dat hij robuust en uitzonderlijk wendbaar moest zijn, zijn eigen krachtbron moest kunnen dragen en in staat moest zijn zijn eigen beweging - en de omgeving - gedetailleerder te voelen dan alle eerder gebouwde loopmachines.
De meeste laboratoriumdingen die we tot BigDog hadden gedaan, bevonden zich in een redelijk goedaardige laboratoriumomgeving, zegt Raibert. Het was schoon, het was droog en het was vlak.
De resulterende machine werd aangedreven door een kartmotor en gebruikte 69 sensoren om de beweging van zijn benen, de krachten die op die ledematen werden uitgeoefend en factoren zoals temperatuur en hydraulische druk te volgen. Met behulp van dynamische balans kan het over zand, sneeuw en zelfs ijs lopen. Het meest spectaculaire was dat hij op de been kon blijven als hij een sterke trap kreeg. BigDog kan op afstand worden bestuurd, maar het balanceergedrag wordt, net als dat van andere Boston Dynamics-robots, automatisch aangestuurd door een boordcomputer.
LS3
Met extra militaire financiering, waaronder wat geld van de mariniers, begon Boston Dynamics in 2009 met het bouwen van een grotere, krachtigere versie van BigDog. Nagesynchroniseerde Alpha Dog, maar officieel het Legged Squad Support System of LS3 genoemd, heeft de robot de grootte van een paard en kan 180 kilogram dragen, of vier volledig beladen rugzakken van mariniers, voor maximaal 20 mijl per dag over ruw terrein.
Net als BigDog gebruikt LS3 een laserafstandsinstrument, of lidar, en stereovideocamera's in zijn hoofd om obstakels te identificeren, de omgeving in kaart te brengen en een soldaat te volgen die tot 45 meter vooruit loopt, geïdentificeerd door een reflecterende patch. Afgelopen zomer zijn de mariniers begonnen met het testen van LS3 op een woestijnbasis in Californië en in de bossen bij Fort Devens in Massachusetts. Deze tests omvatten gesimuleerde gevechtsmissies met LS3 als pakezel.
wilde kat
DARPA zorgde ook voor financiering voor een mobielere, wendbare en snellere vierbenige robot. De eerste versie, Cheetah, kan op een loopband 47 kilometer per uur rennen terwijl hij aan een stabilisatiestang is bevestigd. Boston Dynamics ontwikkelde in 2013 een grotere, ongebonden versie, WildCat genaamd. Net als Cheetah buigt WildCat zijn lichaam om zijn pas te vergroten en zijn snelheid te verhogen. Op afstand kan hij 26 kilometer per uur rijden. Boston Dynamics heeft een video online geplaatst van de robot die rond zijn parkeerplaats springt en galoppeert.
Deel 3
Leren lopen
In 1989 hielp een van Raiberts afgestudeerde studenten, Rob Playter, die turnkampioen was geweest in de staat Ohio, hem bij het bouwen van een vrij rondlopende, tweebenige robot die salto's en andere acrobatische kunstjes kon uitvoeren op een loopband of tijdens het springen rond de laboratorium. De salto was pronken, geeft Raibert toe. Maar het demonstreerde een niveau van controle dat beloofde robots te helpen navigeren op veel moeilijker terrein. Het liet ook doorschemeren hoe machines op een dag door omgevingen kunnen bewegen die zijn ontworpen voor mensen. Wielen zijn een fijne manier om te bewegen wanneer de grond voor u vlak en helder is, maar een wiel kan niet gemakkelijk trappen oplopen of voorbij een omgevallen stoel komen. Als robots ooit op grote schaal in onze huizen worden gebruikt, zullen ze waarschijnlijk moeten lopen.
Omdat we onze huizen op mensen afstemmen, is het erg belangrijk dat de robots dezelfde vaardigheden op het gebied van voortbeweging en manipulatie hebben als mensen, zegt Gill Pratt, de DARPA-programmamanager die verantwoordelijk is voor de robotica-uitdaging. Benen kunnen een enorm voordeel bieden ten opzichte van wielen en rupsbanden; een been heeft geen doorlopend ondersteuningspad nodig; een been kan over dingen heen stappen, wat buitengewoon is om te doen.
De specifieke inspiratie voor de DARPA Robotics Challenge kwam in dramatische omstandigheden, toen in maart 2011 een aardbeving voor de kust van Japan toesloeg. Pogingen om de beschadigde kernreactor in Fukishima op te ruimen, brachten de beperkingen van de beste bestaande robots aan het licht en toonden de behoefte aan machines die beter door de mensenwereld kunnen navigeren. DARPA bedacht zijn uitdaging om robots te inspireren die zouden kunnen helpen mocht een dergelijke situatie zich opnieuw voordoen. De robots moeten niet alleen in staat zijn om te werken in omgevingen die zijn ontworpen voor mensen, maar ook om door die sites te navigeren nadat ze ernstig zijn beschadigd.
Atlas presteerde goed in Miami, maar het is nog lang niet perfect. Om te beginnen beperkt het vermogen dat nodig is om de hydraulische systemen aan te drijven het nut ervan. De robots die in de wedstrijd werden ingezet, hadden elk externe generatoren nodig om hun hydrauliek aan te drijven; de generatoren zijn te groot om te dragen, relatief inefficiënt en luid. Hoewel toekomstige versies van Atlas bedoeld zijn om hun eigen stroombron te dragen, zal dit nog steeds een rudimentaire oplossing zijn totdat onderzoekers erachter kunnen komen hoe de machines veel energiezuiniger kunnen worden gemaakt.
Perceptie is een andere grote uitdaging. Atlas gebruikt dynamisch evenwicht en kan zijn omgeving scannen op obstakels, maar de manier waarop het deze informatie gebruikt om te navigeren is nog steeds traag en ruw. Als je iemand ziet dansen of klimmen of parkour doet, zijn we ongelooflijk ver [weg van] een robot die dat kan, zegt Pratt.
Tijdens de DARPA-uitdaging opereerde Atlas gedeeltelijk autonoom, in die zin dat teams specifieke instructies konden geven en opdracht konden geven om een taak uit te voeren, maar veel van het gedrag van de robot, inclusief het in een fractie van een seconde opnieuw in evenwicht brengen, gebeurde automatisch. De visie van DARPA is dat reddingsrobots op deze manier werken, waarbij mensen begeleiding en assistentie bieden, maar de robots autonoom functioneren wanneer dat nodig is, zoals wanneer een communicatieverbinding uitvalt. Maar als robots ooit het soort taken willen uitvoeren dat sommigen voor ogen hebben, zoals het helpen van ouderen in huis, zullen ze in staat moeten zijn om met nog meer autonomie te werken.
Terug in de pitlane, in de buurt van een garage die wordt gevorderd door een ondersteuningsteam van Boston Dynamics, zegt Raibert dat mensen en dieren buitengewone mobiliteit hebben, meer dan enig door mensen gemaakt voertuig, dus het is logisch om robots met benen te maken. Laat me zeggen dat ik denk dat de toekomst van robotica daarheen moet gaan, zegt hij, net voordat een van zijn robots zelfverzekerd over een puinhoop begint te lopen. Je kunt nu dingen zonder doen, maar uiteindelijk zul je dat echt willen, en dat is wat we hopen mogelijk te maken.
Verhaal door
Will Knight
Front-end ontwikkeling door
Drew Chandler
Hoofdfotografie door
Adam DeTour
Extra foto's en video's met dank aan
Boston Dynamics
Creatief directeur
Eric Mongeon
Senior webproducent
Kyanna Sutton
Senior Software Engineer
Molly Frey