엔지니어가 동의 : 자연은 최고의 로봇을 만듭니다

저의 호위와 저는 제 2 차 세계 대전 당시의 창고를 통해 5 분 동안 걸으며 희미한 복도와 동굴 레일 베이를 통과 한 다음 프로토 타이핑 중에 우주선 골격이 가득한 실험실을 통과했습니다. 우리는 마침내 해군이 짓고있는 워크 벤치에 도착했습니다. 로봇 다람쥐.

"Squirrel"은 Meso-scale Robotic Locomotion Initiative (MeRLIn)의 최초의 완전히 내장 된 버전이 올 봄이되면 10 ~ 20 파운드 무게가 될 것입니다. 설치류의 괴물은 누구나 정의 할 수 있습니다.. 현재 형태의 로봇은 직사각형 매니 폴드와 슬라이딩 알루미늄 스트럿에 장착 된 도그 조인트 레그의 10 번째 반복으로 구성됩니다. 근처에 밝은 파란색 3D 프린트 모델이 완성되었을 때의 모습을 보여주었습니다. 요크셔 테리어 크기의 헤드리스 4 발 다리 기계.

그러나 프로젝트 엔지니어가 데모를 제공하기 위해 프로젝트를 시작했을 때 MeRLIn을 다람쥐라고 부르는 이유를 보았습니다. 작은 모터와 유압 구동 피스톤에도 불구하고 지옥처럼 뛰어 올 수 있습니다.

MeRLIn은 영감을 얻은 동물을 보유한 최근 로봇 중 하나 일뿐입니다. 동물계는 영리한 감지와 움직임의 사례로 가득 차 있으며 배터리로 구동되는 제한된 전력의 자율 로봇 세계에서 효율성이 가장 중요합니다. 예를 들어, 캥거루의 점프를 모방하는 능력은 힘과 성능 사이의 이상적인 균형을 실현할 것입니다.이 유대류의 강력한 뒷다리에있는 힘줄은 모든 보폭 사이에 에너지를 저장하여 동물들이 비교적 적은 에너지 소비로 장거리 여행을 할 수있게합니다.

사진: 미 해군 연구

생물학은 오늘날 가장 혁신적인 로봇 디자인의 일부입니다. 점프 높은 아프리카 부시 베이비에서 영감을 얻은 UC 버클리의 살토 또는 버지니아 대학교의 만타 봇을 살펴보십시오.

왜 그런지 쉽게 알 수 있습니다. 생물학적으로 영감을 얻은 디자인은 인간의 형태가 제대로 적응되지 않은 작업을 수행 할 때 분명한 이점이 있습니다. 작은 파리에서 심해 어류 및 심지어 미생물 (일부 연료 전지는 미생물 화학에 의해 구동 됨)에 이르기까지 자연은 작업을 수행하는 놀랍도록 효과적인 방법을 수정하고 조정했습니다. 수백만 년의 진화로 동물이 날고, 뛰고, 걷거나, 수영하는 일에서 동물이 놀랄만큼 효과적으로 만들었습니다. 보이지 않는 스펙트럼에서 감지; 아직 발견하지 못한 더 많은 능력.

그러나 오늘날 기계로 복제 된 생물 로봇과는 거리가 멀지 만이 우아한 생물학적 용액을 증류하는 목표를 발전시키고 있습니다. 이제 추진은 전략이 무엇인지 분석하고, 핵심 전략으로 분석 한 후, 우리 자신의 목적을 위해 활용하는 것입니다. 과학자와 엔지니어는 더 잘 움직일 수있는 부품, 더 깊게 생각할 수있는 프로세서 및 더 세밀하게 감지 할 수있는 센서를 구축하고 있지만, 모두 기능적으로 대량 생산이 가능한 패키지로 결합하는 것은 어려운 작업입니다.

걷기 전에 떨어지는

MeRLIn이 친숙해 보인다면 좋을 것입니다. 이 프로젝트의 수석 연구원 인 글렌 헨쇼 (Glen Henshaw)는 그의 팀이 보스턴 다이내믹스의 L3, 빅 도그 및 MIT를 포함하여 이미 인터넷 명성의 훌륭한 척도를 찾은 훨씬 더 크고 무거운 조상들로부터 영감을 받았다는 사실에 대해 아무런 근거도 없다고 말했다. 치타.

사진: 미국 해군 연구소 / 빅터 첸

해군 연구소의 목표는 작고, 조용하며, 민첩한 로봇이며, 잠재적 인 위험을 확인하기 위해 두 개의 끈으로 묶인 젊은 해병대가 필요하지 않습니다. 그러나 MeRLIn을 만드는 것은 군인의 배낭에 맞는 로봇을 만들기 위해 모든 부품을 축소하는 것만 큼 간단하지 않습니다. 또한 특정 걸음 걸이가 어떻게 그리고 왜 작동하는지, 왜 그런 걸음 걸이가 다양한 지형에 적합한 지, 그리고 올바른 걸음을 적응시키고 선택하는 법을 배울 수있는 로봇을 만드는 방법을 이해하는 과정이기도합니다.

MeRLIn의 벤치에 도착한 컨트롤 엔지니어 Joe Hays는 컴퓨터에 몇 가지 테스트 명령을 입력하여 로봇의 다리를 삐걱 거리게했습니다. 지지 스트럿을 제거한 후 MeRLIn의 싱글 레그는 자체 유압으로 벽돌 크기의 몸체를 지탱했습니다.

잠시 후, 가벼운 경련으로, 다리는 거의 3 피트를 공중으로 발사하고 수직 금속 레일로 테이블 위로 올라 갔다. 이 운동을 세 번 더 반복하면 로봇은 마지막으로 강력하게 점프 한 후 다리가 무너지면서 보호 인클로저의 천장에 부딪 혔습니다.

"아직도 우리는 여전히 동물 운동에 대해 잘 모르고있다"고 헨쇼는 말했다. "그리고 우리는 우리가 원하는 것뿐만 아니라 신경 근육 시스템을 실제로 이해하지 못한다. 우리는 정확히 어떻게 걸어야 하는지를 모르고 무언가를 만들려고 노력하고있다."

이 팀은 여전히 ​​유압 장치와 관련하여 몇 가지 문제를 해결하고 있지만 밀리 초당 한 번의 속도로 하드웨어 회로의 불확실성을 조사하고 수정하는 적응 형 알고리즘으로 성공을 거두었습니다. 그들은 몇 달 안에 땅에서 책상으로 뛰어 올라 가기를 기대합니다.

펜실베이니아 대학교에서 Avik De와 Gavin Kenneally의 Minitaur는 Dan Koditschek의지도하에 만들어진 또 다른 초소형, 경량 4 배입니다. 거의 14 파운드의 무게를 가진 그들의 작은 봇은 사랑스럽고 경계가있는 보행을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고 그들의 작품이 계단을 오르고, 울타리를 오르고, 문 손잡이를 풀기 위해 점프하는 비디오를 볼 때 애정이 빨리 궁금해집니다.

사진: 무료 유령 로봇 공학

De와 Kenneally는 기존의 기어 구동 식 다리 대신 자유 회전식 직접 구동 식 레그를 사용하여 봇의 대부분을 급격히 줄였습니다. 모터는 로봇 소프트웨어에 대한 피드백 센서로 작동하여 초당 1, 000 회 전달되는 토크를 감지하고 조정합니다. 그 결과 느리게 또는 빨리 따라 가고 계단을 오르며 다리를 뛰어 넘어 문 손잡이를 걸어서 열 수있는 로봇이 탄생했습니다.

자유 범위를 허용하는 자율적이고 센서 및 제어 시스템이 아직 멀지 만 Minitaur의 독특하고 조정 가능한 포고 스틱 동작은 크고 강력한 드라이브 메커니즘이 없어도 민첩성이 가능함을 보여줍니다. 또한 상용 부품으로 제작됩니다.

보스톤 다이내믹스의 아틀라스 로봇은 유능하지만 독창적이고 비싸기 때문에 "다리를 갖기위한 동기 부여는 분명히 많지만 현재의 기술 상태는 충분히 성숙하고 엄청나게 비싸지 않다"고 말했다. 복제되었습니다. "우리는 다른 사람들이 접근 할 수있는 로봇을 만들어서 자신의 응용 프로그램을위한 플랫폼을 구현하려고했습니다."

석판 솔루션

Howie Choset은 자신의 입장으로 뱀을 두려워합니다. 따라서 그의 가장 유명한 작품은 뱀과 같은 것으로 묘사 될 수 있다는 것은 놀랍도록 아이러니합니다.

피츠버그에있는 카네기 멜론 대학교 (Canegie Mellon University)의 부교수 인 초셋 (Chetset)은 대학원생 이후 뱀 로봇과 함께 일해 왔으며 많은 업적을 쌓았습니다. 그는 CMU의 로봇 공학 연구소 (Robotics Institute)를 운영하고있다.이 연구소는 진행중인 많은 작품들이 반복되는 뱀의 신체 부위를 특징으로한다. 또한 최근 데뷔 한 Science Robotics 저널의 편집자이며 로봇 동작 원리에 대한 교과서를 작성했습니다.

그리고 바쁘게 지내기 위해 Hebi Robotics와 Medrobotics라는 두 회사를 설립했습니다. 후자의 고급 내시경 수술 도구 인 Flex Robotic System은 2015 년 FDA 승인을 받았습니다. Choset은 더 이상 공식적으로 Medrobotics와 제휴하지 않지만 로봇이 사용되는 라이브 작업을 보는 것이 그의 전문적인 경험의 요점이라고 말했다.

사진: Howie Choset

Choset은 Flex가 뱀에서 영감을 받았는지 여부에 대해 고민합니다. 그는 로봇의 구불 구불 한 형태는 인간 내부 공간의 비틀림과 회전을 염두에두고 설계되었다고 말했다. 그러나보다 최근의 다른 연구는 특히 뱀을 관찰하고 그 이후로 로봇을 모델링하는 것과 관련이 있습니다. 특히 생체 역학에 대한 연구로 게, 바다 거북의 움직임에서 영감을 얻은 로봇을 만든 조지아 테크의 Dan Goldman과의 협력을 통해, 바퀴벌레, mudskippers 및 sandfish.

Choset은 또한 UC Berkeley의 Poly-Pedal 연구소를 운영하는 바이오 영감 로봇 공학의 최초 개척자 Robert Full의 영향을 인정합니다. 바퀴벌레가 움직이는 방법과 도마뱀이 수직 표면을 오르는 방법을 연구함으로써 Full, Choset 등은 이러한 비밀을 새로운 방식으로 적용 할 수있는 일반적인 디자인 원칙으로 만들어 내려고합니다.

"우리는 생물학을 복사해야합니까? 아니오. 생물 학자에게 물어보십시오"라고 Choset은 말했습니다. "우리가 원하는 것은 최고의 원칙을 선택하고 거기서 나가는 것입니다."

Choset과 Goldman은 애틀랜타 동물원의 Joseph Mendelson과 함께 사이드 와인 더 뱀의 움직임을 연구하여 궁극적으로 날카로운 회전 동작을 일련의 모양 변화 파도로 특징지었습니다. Choset의 팀은 로봇 뱀에 대한 프로그래밍에 그 지식을 적용하여 이전에는 불가능했던 과제를 모래 덩어리 위에 올려 놓을 수있었습니다. 뱀이 자신의 몸 모양을 바꾸는 방법을 이해함으로써 초 세트는 문 상인방의 내부와 기둥을 쓸어 담을 수있는 뱀 로봇을 만들 수있었습니다. 그는 위험한 실내 (예: 원자력 발전소 또는 발전소)를 탐험하는 데 매우 유용한 것으로 생각합니다. 고고학 유적지에 접근 할 수없는 경계.

"저는 생물학이 너무 복잡해서 약간만 가져 가서 로봇에 넣기를 바랄 수 있다는 사실에 겸손합니다." "그러나 우리는 동물이 가지고있는 수준과 능력으로 동물을 복제하지는 않습니다. 우리가 원하는 것은 큰 능력을 가진 메커니즘과 시스템을 구축하는 것입니다."

자신의 발전과 그의 학생들의 업적 및 발견이 상당히 평온한 것으로 묘사 된 것은 이러한 로봇이 성숙함에 따라 어떻게 세상에 등장 할 것인지에 적용됩니다. 그는 천천히 조금씩 연구가 진행되고 있다고 말했다.

"진화도 우연이다"고 Choset은 주장했다. "팁 포인트는 하나도 없으며 외부에서 볼 때 일련의 발전 만이 큰 돌파구처럼 보입니다."

중요한 크로스 오버

기본적으로 엔지니어는 생물학의 작동 방식을 알지 못하므로 엔지니어와 생물 학자 간의 협력이 중요합니다. 시카고 대학 (University of Chicago)에서 생물 학자 마크 웨스트 니트 (Mark Westneat)의 물고기 계급 연구에 따르면 해군과 협력하여 느리게 움직일 수 있지만 민첩한 수중 무인 항공기가 자리를 잡을 수있었습니다. WANDA ("Warasse-inspired Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"의 약자)로 알려진 드론은 선박의 선체, 부두 및 석유 굴착 장치를 검사하는 데 유용합니다.

고속 촬영은 Westneat가 처음으로 사진 촬영 연구를 시작했을 때와 해군이 작업에 관심을 갖기 전에 거의 20 년 전의 노력의 중심이었습니다. Westneat가 "물고기 용 러닝 머신"이라고 부르는 정전류의 흐름 탱크에서 랩퍼는 가슴 지느러미 만 사용하여 탱크에서 고정 된 위치를 유지하면서 고속 카메라는 그 움직임의 모든 세부 사항을 1, 000으로 캡처합니다. 초당 프레임.

사진: 미국 해군 연구소 / 빅터 첸

물고기의 해부학에 대한 생물 학자들의 매우 상세한 지식 (지느러미 광선이 근육에 부착되는 방법, 지느러미 막의 신경 종말이 스트레스와 긴장을 전달하는 방법)과 결합하여 사진을 통해 래퍼가 물을 통해 정확히 어떻게 진행되는지에 대한 깊은 지식을 얻을 수 있습니다. 특징적인 펭귄 같은 플랩 스트로크의 비틀림과 비틀림. NRL의 WANDA 프로젝트 책임자 인 제이슨 게더 (Jason Geder)는 WRASS의 강력한 전류 또는 변동하는 전류에서도 몸을 움직이지 않고 움직일 수있는 능력을 갖추고있어 새로운 유형의 민첩한 수중 차량을 모델링 할 수있는 이상적인 종이라고한다.

"전통적인 프로펠러 또는 추진기 구동 차량은 이러한 종류의 기동성이 없거나 회전 반경이 너무 높습니다"라고 Geder는 말했습니다. "차량 중심에 탑재 물에 대한 견고한 선체를 원한다면 이런 종류의 가슴 지느러미 움직임만으로도 비슷한 성능을 얻을 수 있기 때문에 이것은 모델링하기에 좋은 물고기였습니다."

Westneat은 새로운 3D 사진 기능이 연구를 더욱 발전시킬 수 있다고 생각합니다. Westneat은“물고기는 삶이나 죽음이지만 우리에게 효율성을 더 잘 이해하면 배터리 전력이 향상 될 수있다”고 말했다. "우리는 멤브레인의 기본 골격 구조와 기계적 특성을 면밀히 모방하여 초 고효율을 얻을 수 있는지 확인하고 싶습니다."

박물관의 생물학적 소장품은 연구자들에게 풍부하고 활용률이 낮은 또 다른 자료입니다. 예를 들어 스미소니언은 척추 동물 컬렉션에서 60 만 개의 표본을 보유하고 있으며 버지니아 테크의 롤프 ül 러 (Rolf Müller)는 박쥐에서 영감을받은 드론에 대한 그의 연구 결과로 이러한 소장품을 그렸습니다. 뮬러는 스미스 소니 언의 박쥐 귀와 코에 대한 3D 스캔을 사용하여 비행 로봇에 유사한 구조를 만들어 zip-line-guided 테스트 실행을 통해 피드백을보고 할 수 있도록했습니다.

ül 러 교수는“수백만 개의 시편이 서랍에 나란히 놓여있어 매우 빠르게 접근 할 수있다”고 말했다. 그는 박물관 전문가와 연구원으로 구성된 컨소시엄을 만들어 전국적으로 이와 같은 수집품을 생생한 발전을 위해 더 쉽게 이용할 수 있도록 돕고 있습니다.

그리고 소스가 탱크에서 수영하든 스토리지 드로어에 누워 있든 상관없이 데이터를 유용한 형식으로 변환하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. Westneat 교수는“일반 엔지니어는 사양을 원하지만 생물학자는 해부학 도면을 전달할 수도있다.

그가이 엔지니어링 대화 중 일부를 시작하기 전까지는 그의 작업이 모터의 힘과 힘으로 변환 될 수있는 물고기의 움직임에 대한 기계적 데이터를 제공 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 데이터 엔지니어는 작업 기계를 생산해야합니다. "이것은 자연 선택이 작용할 수있는 것들이지만, 자율 주행 차를 배로 되돌려 놓는 것 사이에서 차이를 만듭니다."

학교로 돌아가다

학습, 기억 및 적응은 전적으로 다른 과제입니다. 해군의 개조 된 창고로 돌아가서 MeRLIn 팀은 여전히 ​​소형화 문제에 주로 관여하고 있습니다. 그러나 그들은 그들이 상상하는 로봇이 배우고 기억하고 적응할 수있는 능력이 없으면 완전하지 않다는 것을 너무 잘 알고 있습니다.

실험실에 있지 않을 때 집에서 양을 키우는 헨쇼는 갓 태어난 양들이 촉촉한 더미에서 몇 시간 안에 걸을 때까지 걷는 것을 관찰하면 그 과정을 인위적으로 복제하는 것이 어렵다고 강조했다. "어떻게 작동하는지 이해하는 사람은 아무도 없다"고 Henshaw는 양이 자라면서 급속한 체질량 변화에 운동량을 지속적으로 적용하기 위해 양들이 요구하는 신경 변화에 대해 말했다. 그의 팀이 전략을 해결하기 위해 접근하는 방법 중 하나는 MeRLIn 걸음 걸이 생성 방식을 바꿀 수있는 소프트웨어를 작성하는 것입니다.

이와 별도로, Henshaw는 생물학적으로 영감을 얻은 학습 시스템을 개발하기위한 또 다른 프로젝트의 일부입니다. 그는 작은 축구 목표에 공을 차는 로봇 다리의 비디오를 보여주었습니다. 세 번의 프로그래밍 된 킥 후, 레그는 78 번 더 공을 걷어차 서 체계적으로 자신의 목표를 선택하고 성공과 실패를 추적합니다. 이와 같은 코드를 MeRLIn과 같은 로봇에 더 세련되고 적용하면 워킹 로봇이 예를 들어 다른 페이로드 무게 또는 다리 길이에 맞게 쉽게 적응할 수 있습니다.

"많은 프로젝트에는 실시간으로 큰 수학 방정식을 통해 무게 중심 또는 운동을 최적화하는 방법을 파악하는 방정식이 있습니다."라고 Henshaw는 말했습니다. "작동하지만 정확히 생물학적 인 것은 아닙니다. 제가 작성한 알고리즘이 뇌에서 정확히 진행되고 있다고 주장 할 수는 없지만, 계속 진행되고있는 것처럼 보입니다. 인간은 나무를 타고 걷어차는 법을 배웁니다. 수치 최적화가 아닌 실습을 통한 공."

Henshaw는 딥 러닝과 수집 된 지식에 대한 접근이 아마도이 과정을 가속화시킬 것이지만, 하드웨어가 MeRLIn과 같은 작은 크기에 맞을만큼 견고하거나 작지는 않다고 덧붙였습니다. "이러한 소형 로봇을 원한다면 알고리즘을 향상시켜야하는 것이 아니라 실행하는 하드웨어가 그다지 중요하지 않다"고 그는 말했다. "그렇지 않으면 너무 큰 배터리를 사용하여 너무 큰 컴퓨터를 가져 가면 작동하지 않습니다."

신흥 시장

혁신적인 신체 플랫폼 및 운동 전략을 만들기 위해 생물학이 제공하는 지름길은 또한 생물학적으로 영감을받은 로봇을보다 경제적으로 실행 가능하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. Choset은 자신의 창작물에 대한 실용적인 응용 프로그램을 발전시키기 위해 회사를 시작한 유일한 학자가 아닙니다. 실제로 노르웨이 과학 기술 대학교 로봇 공학 교수 크리스틴 이터 스타트 페터슨 (Kristin Ytterstad Pettersen)이 설립 한 Eelume은 현재 수중 탐사 및 검사 작업을 위해 자체 로봇 수영 뱀을 판매하고 있습니다. 그리고 De와 Kinneally는 Minitaur를 판매하는 회사 인 Ghost Robotics를 설립했습니다.

대기업도 게임에 참여하고 있습니다. Boston Engineering은 BioSwimmer라고 불리는 해양 검사 로봇으로 현장 실습의 마지막 단계에 있습니다. 이 봇은 단순히 참치에서 영감을 얻은 것이 아닙니다. 전체 몸 전체는 5 피트 길이의 참 다랑어 스캔을 기반으로하며 매사추세츠 Waltham에있는 회사 사무실 근처에 걸렸습니다. 살아있는 참치와 마찬가지로 추진력은 꼬리에서 발생하여 차량의 앞쪽 절반에 센서와 페이로드가 쌓일 수 있습니다. 그러나 목표는 참치를 모방하는 것이 아니라 동물의 효율성과 고성능을 활용하는 것입니다.

Boston Engineering의 고급 시스템 그룹 책임자 인 Mike Rufo는 디자인의 생물학적 측면으로 인해 구축이 더 쉬워지지는 않았지만 어려움을 더하지는 않았다고 말했다. Rufo는 회사가 비슷한 프로젝트와 비슷한 비용 (약 100 만 달러)으로 BioSwimmer (길이 5 피트, 100 파운드)를 구축했으며 크기가 다른 다른 차량과 비슷하게 가격이 책정 될 것이라고 주장했다. 그러나 참치 영감 추진 전략에 의해 제공되는 운동 효율은 표준 전원에서 더 오래 작동 할 수있게합니다.

Rufo 박사는“바이오 영감 로봇 기술과 관련하여 몇 가지 기술적 장애가있다. "그러나 생체 영감은 이러한 도전의 영향을 완화하는 방식으로 직접 해결하거나 성능을 향상시킬 수있는 기회를 제공합니다. 예를 들어, 배터리 기술의 멋진 발전에도 불구하고, 우리는 당신이 얼마나 많은 전력을 통합 할 수 있는지를 결정하고 있습니다. 하지만 시스템의 효율성을 해결할 수 있다면 배터리가 그다지 큰 영향을 미치지 않을 것입니다. 그것은 생물 영감이 큰 역할을하는 영역 중 하나입니다. " 그럼에도 불구하고, 그는 이와 같은 로봇이 적어도 5 년에서 10 년 동안 국방 응용 분야 나 다른 방식으로는 흔하지 않을 것이라고 생각합니다.

일상 생활에서 너무 소름 끼치 지 않는 로봇 도우미를 갖기 전에 극복해야 할 기념비적 인 도전과 상관없이, 지난 몇 년 동안 생물학과 진화가 분명한 것을 캡슐화하는 데 큰 진전이있었습니다: 유기체의 눈부신 능력 적응하고 수행합니다.

웨스트 나트는“때때로 시시 펜 인 것 같다”고 말했다. "이 수중 로봇을 보면 저에게 어색해 보이지만, 이 우아한 동물들이 산호초를 헤엄 치는 모습을 보는 데 익숙합니다. 그러나 엔지니어와 생물 학자들이 모여서 창조 할 수 있다고 생각하는 것은 너무 터무니 없습니다. 스스로 수영하는 물에 던지는 로봇. 모든 것이 흥미 롭습니다."