Natuurkrachten

Hangend boven een loopband in het midden van het Biomimetic Robotics Lab, wacht de bekendste creatie van Sangbae Kim op zijn volgende testrun. Cheetah III is een bundel verbindingen, circuits en elektromotoren. Net als het dier dat zijn naam deelt, weegt de vierbenige bot ongeveer 90 pond, en het is snel en bekwaam. Ontworpen om over obstakels te springen en zich een weg te banen door moeilijke omgevingen met snelheden tot 3 meter per seconde of 6,7 mijl per uur, kan Cheetah III bijna overal komen waar een mens kan gaan, met minimaal toezicht, zegt Kim.

Op dit moment heeft het bescherming tegen paparazzi nodig, als er niets anders is. Hoewel ze kenmerken zoals vacht en oren missen, behouden Cheetah-bots een zoogdierlijk charisma. Als iemand eropuit gaat - om Massachusetts Avenue af te draven of rond een MIT-voetbalveld te springen - trekt dat meestal een menigte. In Kim's Ice Bucket Challenge-video uit 2014 steelt een eerder Cheetah-model de show door de emmer om te trappen. Lableden hebben de ramen van 5-017 behangen zodat ze aan het werk kunnen.

Kim, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, haalt zijn ideeën uit de natuur. Biologie leidt ons naar wat mogelijk is, zegt hij. Het heeft hem geholpen om machines te maken die bewegen als insecten, hagedissen en katten, om nog maar te zwijgen van honderdduizenden YouTube-views. Maar daar wil hij niet bij blijven. Het laatste onderzoek van Kim is gebaseerd op een bijzonder inspirerend dier: de mens.

Het been opnieuw uitvinden
In het Biomimetic Robotics Lab in de kelder van Gebouw 5 wordt de Cheetah III omringd door meer bekende machines. Het laboratorium van Kim doet ook dienst als een kleine productiefaciliteit, met 3D-printers, een lasersnijder, een kolomboormachine en een CNC-freesmachine. Terwijl de meeste robotica-labs prefab-onderdelen gebruiken, geeft Kim de voorkeur aan een doe-het-zelf-aanpak. We bouwen eigenlijk alles wat we hebben, zegt hij.

Dit is verstandig als je een nieuwe mechanische soort maakt en test: tijdens een zware dag van inspanning ging de Cheetah door een hele reeks polyurethaan voetzolen. (Het heeft nu rubberen exemplaren.) Maar nog belangrijker, de doe-het-zelf-aanpak stelt het team in staat om helemaal opnieuw te beginnen, niet gehinderd door de aannames die in standaardhardware zijn ingebouwd. Hoe het beweegt is echt anders dan bij de meeste robots, omdat we ons systeem eigenlijk zelf hebben ontworpen, zegt Kim.

De meeste collega's van de Cheetah zijn geoptimaliseerd voor fabrieken. Het zijn robots die gemaakt zijn om steeds weer dezelfde reeks taken uit te voeren, of dat nu het inpakken van een pallet is of het indraaien van een bout. Ze zijn veel sneller, preciezer en consistenter dan mensen, zegt Kim. Maar ze hebben niet echt interactie met hun omgeving of objecten zoals wij.

Ter demonstratie voert Kim een ​​klassieke menselijke handeling uit: hij pakt zijn laptop van de tafel. Hij is er cartoonachtig onhandig over - zijn onderarmen slaan tegen het tafeloppervlak en zijn handen raken de zijkanten van het scherm - maar zowel mens als laptop blijven ongedeerd. Dan legt hij het weer neer en imiteert hoe een fabrieksrobot dezelfde taak zou aanpakken. Deze keer laat hij zijn handen met grote concentratie glijden, terwijl hij langzamer gaat. Tegen de tijd dat hij het object bereikt, beweegt hij nauwelijks.

Je lopen is een miljoen keer verbazingwekkender dan vliegende straaljagers.

Een mens kan dingen in een seconde of minder pakken, zegt hij. Maar een robot? Het moet langzaam zijn, want het kan niet botsen. Dezelfde stijfheid die een fabrieksrobot consistent maakt, verhindert dat deze de energie die door een botsing wordt geproduceerd, veilig kan absorberen. In plaats daarvan verbreekt die energie het, of wat het ook probeert te doen. Deze beperking is verlammend voor machines die bijvoorbeeld willen lopen: elke stap is immers een botsing, zegt Kim. (Voertuigen hebben ook moeite om met de grond om te gaan. Zoals Kim opmerkt, hebben vliegtuigen en boten de vlucht van lucht en zee, maar we moesten de weg effenen voor vervoer over land met wegen en spoorlijnen.)

Het eerste Cheetah-prototype van Sangbae Kim had een hoofd, een ruggengraat en een staart. De nieuwste rent als een cheeta maar ziet er niet meer uit als een dier, zegt hij.

Wanneer mensen robots proberen te maken die lopen en rennen, beginnen ze vaak met dezelfde elementen als die in industriële bots. Als het bijvoorbeeld tijd is om een ​​actuator te kiezen - het onderdeel van een machine dat een energiebron in beweging zet - kiezen ze voor een hydraulische: sterk en precies, maar erg stijf en niet in staat om schokken op te vangen. Ze plaatsen de actuator bij de heup van de robot en een krachtsensor aan de voet. Wanneer de robot loopt, berekent de krachtsensor hoe hard hij de grond raakt en vertelt het de actuator, die zich dienovereenkomstig aanpast.

Over het algemeen werkt deze strategie echter niet zo goed. Je voelt de kracht hier [aan de voet], maar je actuator is ver weg en te langzaam, legt Kim uit. Er zit nogal wat massa en dynamiek tussen … het wordt onstabiel. (Hij slaat dit punt graag naar huis met een supercut van de DARPA Robotics Challenge 2015, waarin een reeks dure, indrukwekkend ogende tweevoetige robots omvalt als verdoofde Terminators.)

Dus besloot Kim opnieuw te beginnen en een nieuw type actuator te ontwerpen met andere prioriteiten. Zijn actuator is mager en gemeen - hij heeft een hoog koppel, dus hij kan veel rotatiekracht genereren, maar hij wordt aangedreven door een lichtgewicht elektromotor met minimale rotatietraagheid, waardoor hij snel kan veranderen hoe snel hij draait. De rest van het been van de cheetah is ontworpen om zo licht en wrijvingsarm mogelijk te zijn, zegt hij.

Omdat het been dun en licht is, verandert de kracht die door de actuator wordt geproduceerd nauwelijks tegen de tijd dat het bij de voet komt, waardoor een krachtsensor overbodig is. Dit geeft de Cheetah snellere reflexen: hij kan de hoeveelheid kracht die hij uitoefent ongeveer 50 keer sneller veranderen dan robots die zowel actuatoren als krachtsensoren gebruiken.

Een onhandigere robot heeft een hele datalus nodig voordat hij kan bedenken hoe hard zijn voet het trottoir heeft geraakt en wat hij vervolgens moet doen. Maar wanneer de cheetah landt nadat hij over een obstakel is gesprongen, beheersen de voeten de nodige krachten om te balanceren en te herstellen onmiddellijk na een botsing met de grond, zegt Kim. (Het ontwerp kan ook veel gemakkelijker energie absorberen - wanneer de voet de grond raakt, gaat de impactkracht terug naar het been en in de actuator, waardoor de motor wordt opgeladen in plaats van deze te breken.)

In plaats van kracht te voelen, concentreert de Cheetah zich op het uitzoeken waar hij zich in de ruimte bevindt. Gewrichtspositiesensoren, versnellingsmeters en gyroscopen voeren voortdurend gegevens in een reeks algoritmen in, die bepalen wanneer en hoe hard elk been de volgende keer de grond zal raken. Wanneer de voet van de cheetah op iets onverwachts stapt, bijvoorbeeld een rots die zijn lichaam doet kantelen, helpt deze informatie de robot om te beslissen of hij doorgaat met zijn stap of zich terugtrekt. Als het een stap zet, treedt een ander algoritme in werking om te voorspellen hoeveel kracht er moet worden uitgeoefend om over het object te komen - of welke compenserende kracht nodig is om de balans aan te passen als het wordt geduwd.

Deze reeks prioriteiten heeft de Cheetah in staat gesteld dingen te doen die de meeste andere bots niet kunnen, zoals draven en springen. Het is ook extreem efficiënt - het gebruikt energie slechts iets minder oordeelkundig dan een echte cheeta, waardoor het een voorsprong heeft op andere robots. Hij kan zelfs zonder camera's door zijn omgeving manoeuvreren. In een van de hoogtepunten rent een blinde cheetah over een onverharde plek, beklimt een trap en richt zich herhaaldelijk op als een laboratoriumlid erop prikt met een stok. Kim noemt zijn benadering proprioceptieve actuatie, naar het zesde zintuig dat mensen bewust maakt van de positie van ons lichaam in de ruimte.

Om zo'n stabiliteit te bereiken, moet enige nauwkeurigheid worden opgeofferd - we hebben constant een fout van 10% of 15% [van krachtcontrole], zegt Kim. Hoewel dat sommige ingenieurs misschien niet tevreden stelt, is de Cheetah zo licht en energieabsorberend dat hij over het algemeen het foutenpercentage kan tolereren, zelfs met zware schokken van rennen en springen.

Het vertalen van het gedrag van levende wezens in mechanische termen vereist een meerlagige denkwijze. Iedereen in robotica is erg gefocust op zijn eigen kleine gebied - er zijn veel softwaregroepen die denken dat alles met code kan worden opgelost, of hardwaregroepen met hardware, zegt João Ramos, PhD '18, een van de postdocs van het lab. Sangbae heeft een geïntegreerde weergave. Als je het probleem wilt oplossen, moet je erover nadenken op conceptniveau, hardwareniveau en software.

Deze paradigmaverschuiving was mogelijk omdat ik werktuigbouwkundig ingenieur ben, beaamt Kim. Ik denk aan de dynamiek van starre lichamen in plaats van [alleen] software te schrijven. Verschillende bedrijven, waaronder Boston Dynamics, gebruiken zijn actuatorontwerp nu ook in delen van hun robots.

Omhoog klimmen
Kim kreeg de gewoonte om naar nieuwe manieren te zoeken om dingen te doen terwijl ze opgroeide in Seoul, Zuid-Korea, in een kleine ruimte zonder veel middelen - of een werkplaats. Ik heb veel dingen gebouwd, zegt hij. Ik heb alle mogelijke manieren gevonden om mijn eigen tools te maken. Hij haalde huishoudelijke apparaten uit elkaar om te zien of hij ze weer in elkaar kon zetten. Als zijn vrienden met hun radiografisch bestuurbare auto's rondrennen, stak hij zijn buik omhoog en knutselde eraan.

Als student aan de Yonsei University in Seoul ontwierp hij wat toen de goedkoopste 3D-scanner ter wereld was. (Hij diende ook zijn verplichte stint in het Zuid-Koreaanse leger, een ervaring waarvan hij zegt dat hij zijn afkeer voor bureaucratie versterkte.) Hij sloot zich aan bij een startup die de scanner commercialiseerde, maar al snel na de ontwikkeling van het eerste prototype realiseerde hij zich dat hij de voorkeur gaf aan uitvinden boven finetunen en besloot terug te keren naar de academische wereld.

Toen hij in 2002 naar Stanford ging om af te studeren, wilde hij blijven werken in het ontwerpen van hardware, maar realiseerde hij zich dat veel taken waarvoor ooit gesleuteld moest worden aan bewegende onderdelen, nu op computers werden uitgevoerd. Wat kan niet worden vervangen door elektronica? hij zegt. Als je moet werken aan iets dat fysiek in wisselwerking staat met de omgeving, kan het niet worden vervangen door een stukje code of een chip … Daarom ben ik de roboticawereld binnengestapt.

Kim trad toe tot Mark Cutkosky's Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory in Stanford. Ik was gefascineerd door hoe dieren bewegen, zegt hij. Ik was gefocust op het principe 'Oh, dit is iets bij dieren - laten we het repliceren.' Hij werkte aan een spinachtige klimmachine en een zwerm op kakkerlakken geïnspireerde bots die zelfstandig konden rennen. Later, als postdoc aan Harvard, bouwde hij een autonome robotachtige regenworm. (Het beweegt door in zijn segmenten te knijpen als reactie op een elektrische stroom, en het is zacht genoeg om te overleven als er op wordt getrapt.)

Maar zijn eerste grote doorbraak was Stickybot, een robot die muren kan beklimmen als een gekko. Net als cheetabenen kunnen gekkopoten twee moeilijke dingen tegelijk: ze kunnen zich met grote kracht aan een muur hechten, maar ze kunnen zich er ook met grote snelheid van losmaken. Als je erover nadenkt om een ​​klimpak te bouwen - als je echt plakkerige handen hebt, kun je de muur beklimmen, maar als je handen zo plakkerig zijn, kun je niet uit de muur, zegt Kim. Maar de gekko's rennen naar boven.

Mini Cheetah, een kleinere, veiligere, wendbare Cheetah, is bedoeld voor onderzoek en onderwijs. Gegevens worden verzameld via de kabel en besturingsalgoritmen kunnen op dezelfde manier worden gewijzigd.

In 2006 publiceerde Kellar Autumn, een bioloog aan het Lewis & Clark College, een paper waarin precies wordt beschreven hoe gekko's ermee omgaan. De sleutel zit in kleine haartjes op hun voeten, die zo zijn gestructureerd dat ze alleen blijven plakken als ze in één richting worden getrokken. Kim gebruikte het principe om de Stickybot te maken en een lijm die hij gekkotape noemt. Het is waarschijnlijk nog steeds mijn favoriete project op het gebied van wetenschap, zegt hij. We ontwikkelden een nieuw materiaal - een nieuw concept dat niet bestond voordat we de gekko begrepen.

In 2009 trad Kim toe tot de MIT-faculteit, en jarenlang ontmoette hij Rodney Brooks vaak bij Starbucks om ideeën rond te strooien. (Brooks, de voormalige directeur van CSAIL, was in 2008 vertrokken om Rethink Robotics op te richten.) Hij denkt breed, zegt Brooks - en probeert dingen die andere mensen bang kunnen maken. Brooks herinnert zich dat Kim tijdens een Amazon-conferentie in 2017 besloot uit te zoeken hoe hij de Cheetah-spraakcommando's kon geven met behulp van een Amazon Echo. Tegen de tijd dat zijn demo de volgende ochtend arriveerde, kon hij voor het eerst met zijn robot praten, zegt hij. Dat was een moedige zet.

Kim behaalde in 2016 een vaste aanstelling en geeft om de twee jaar les in 2.74 (Bio-Inspired Robotics), waarvoor studenten bots hebben gemaakt die slingeren als een aap of springen als een kangoeroe. Hij is ook co-docente 2.007 (Design and Manufacturing). De legendarische robotica-ontwerpklas culmineert in een themawedstrijd die altijd veel publiek trekt, en Kim en zijn mede-instructeur, Amos Winter, SM '05, PhD '11, kleden zich in kostuums om het te begeleiden. Vorig jaar speelde Kim Willy Wonka. Veel van de lezingen op hoog niveau die hij gaf, gingen over hoe je inspiratie kunt halen uit de natuur, herinnert Selam Gano '18 zich, die in 2017 zijn biomimetica-les volgde. Hij zal dingen zeggen als 'Als je deze klas verlaat, wil ik dat je gewoon staar naar je hand en zeg: Wow, dit is ongelooflijk!'… Hij infecteert echt iedereen met hoe opgewonden hij is.

Tot de grens drijven
Soms weet je pas hoe ongelooflijk iets echt is als het niet meer werkt. Zo scheurde Kim ongeveer 15 jaar geleden zijn achillespees. Het gooide hem voor een lus: natuurlijk speelde hij op dat moment basketbal, maar hij deed niets bijzonders. Ik was gewoon aan het wandelen, zegt hij. Het was raar. Zijn dokter gaf hem zes maanden rust op de bank.

Kim - die sindsdien is overgestapt op tennis - is geen fan van bankrust. Toch vond hij de ervaring verhelderend. Je spieren zijn sterk genoeg om de hele tijd pezen uit te scheuren en gewrichten te ontwrichten, zegt hij. Ons zenuwstelsel past altijd zorgvuldig de hoeveelheid kracht aan die je moet genereren. Op de een of andere manier was zijn lichaam dit omzeild en was hij over zijn eigen grenzen gegaan. Maar meestal beschermen we onszelf. In tegenstelling tot die onhandige DARPA Challenge-robots, slagen we erin om zowel kracht als controle te hebben.

Ik was gefocust op het principe 'Oh, dit is iets bij dieren - laten we het repliceren.'

Bovendien, zoals gekko's die een muur beklimmen, doen we dit zonder er zelfs maar bij na te denken. Je lopen is een miljoen keer verbazingwekkender dan vliegende straaljagers, zegt Kim, terwijl ze een lijst van onze onderbewuste vaardigheden aframmelt. We kunnen deuren openen zonder ons evenwicht te verliezen. We kunnen door de straat joggen terwijl we afgeleid zijn. We kunnen ontbijten terwijl we een gesprek voeren, en we denken niet 'Oh, ik verplaats dit kleine klompje aardappel terug naar de linkerkant van de tanden, zodat de tanden het kunnen verpletteren tot een redelijk groot stuk, ' hij zegt. We nemen te veel dingen voor lief!

We hebben misschien nooit een robot nodig die kauwt. Maar als we er een willen die geweldig is in het rechtop blijven staan, kan het helpen om gebruik te maken van onze eigen capaciteiten, zoals een ander project van Kim doet. HERMES (wat staat voor zeer efficiënte robotmechanismen en elektromechanisch systeem) is een tweevoetige robot die dezelfde unieke actuatoren gebruikt als de Cheetah. Maar in plaats van volledig op zichzelf te werken, wordt het bestuurd door een mens, met behulp van wat Kim een ​​balansfeedbackinterface noemt.

Om HERMES te besturen, draagt ​​een menselijke operator een speciaal bewegingsdetectorvest en staat op een platform met ingebouwde krachtsensoren. Door bewegingsgegevens in beide richtingen via draden te volgen en over te dragen, smeden vest en platform een ​​ervaringsgerichte verbinding tussen mens en robot. Stel dat HERMES een zware deur moet openen. De menselijke operator maakt een duwende beweging en de robot volgt. Wanneer HERMES de deur raakt, voelt de mens de impact en past hij zijn evenwicht daarop aan. HERMES maakt dezelfde aanpassingen en vermijdt omvallen. Algoritmen passen de relevante krachten aan zodat een mens die het vest draagt, een kleinere robot of een vierbenige robot kan besturen.

Op deze manier stelt het systeem zowel mens als bot in staat om hun sterke punten naar de situatie te brengen en tegelijkertijd hun zwakke punten te minimaliseren. Mensen zijn slim en goed in balanceren en fijne manipulatie, maar we zijn behoorlijk kwetsbaar. Robots zijn sterk en taai, maar ze hebben veel sturing nodig. Kim wil deze technologie combineren met de Cheetah en een van zijn benen vervangen door een proprioceptieve robotarm waaraan hij werkt. De arm verbindt mens en machine op een delicatere schaal, zodat de operator kan voelen wat er gebeurt wanneer de robot een touw vastpakt of aan een deurknop draait.

Hij stelt zich een eerstehulpverlener voor die deze hulpmiddelen gebruikt om een ​​gevaarlijk gebied te verkennen. Je hebt een [VR]-bril en misschien een spraakopdracht: 'Cheetah, ga naar kamer 507', zegt hij. De Cheetah baant zich snel een weg daarheen, beweegt zich efficiënt en vermijdt puin. Het vindt zijn doel: Oh, er is een gaslek en je moet deze klep sluiten. De bot kan dan op drie poten staan ​​terwijl de mens het vierde been manipuleert - dat ook dienst doet als robotarm - om de klep aan te passen.

Dit is mijn grote visie: mobiliteit op menselijk niveau, meestal autonoom, waarbij de manipulatie meestal door mensen wordt gedaan, zegt Kim. Deze drie componenten zullen ons uiteindelijk in staat stellen dit te doen. Wanneer ze kunnen, voegt hij eraan toe, zullen er meer mogelijkheden opengaan. Kim ziet zijn robots voor zich in de bejaardentehuizen, op afstand geactiveerd door een persoon in een controlekamer: ze kunnen zowel hulp als privacy bieden aan mensen die hulp nodig hebben maar toch op zichzelf willen wonen.

Of misschien zullen zijn cheetah-bots gevaarlijk handwerk gaan doen, begeleid door geschoolde arbeiders die zich op veilige plaatsen in de buurt nestelen. Hij voorspelt dat Cheetah III over twee tot drie jaar zal kunnen navigeren in een met straling gevulde energiecentrale; over een decennium zou zijn opvolger fysiek zwaarder werk moeten kunnen doen, zoals het manipuleren van puin. En over 15 tot 20 jaar, denkt hij, kan het een brandend gebouw binnendringen en mensen redden.

Maar Kim is gestopt met focussen op het kopiëren van andere wezens. Toen ik me voor het eerst voorstelde dat mijn robot aan het rennen was, galopperend als een cheeta, dacht ik altijd aan dit prachtige gebogen lichaam, zegt hij. Hij realiseerde zich echter al snel dat een soepele ruggengraat zijn bot niet beter zou maken in zijn uiteindelijke taak. Hetzelfde geldt voor andere details: in het begin keek ik naar elke botvorm, trajecten, enzovoort, zegt hij. Ik kijk nog steeds naar veel biologiestudies om echt te begrijpen wat er aan de hand is. Maar hij behandelt ze meer als inspiratie dan als instructieboekjes: nu heb ik zoiets van: 'Oké, vier poten is goed.'

zich verstoppen