Od kóz górskich, które biegną w górę blisko pionowych skał po pancerniki, które pojawiają się w kulcie ochronnej, zwierzęta ewoluowały, aby bez wysiłku dostosować się do zmian w ich środowisku. W przeciwieństwie do tego, gdy autonomiczny robot jest zaprogramowany w celu osiągnięcia celu, każda zmienność jego z góry określonej ścieżki stanowi znaczące wyzwanie fizyczne i obliczeniowe.
Naukowcy pod przewodnictwem Josie Hughesa w Laboratorium Create Lab w School of Engineering EPFL chcieli opracować robota, który mógłby przemierzać różnorodne środowiska tak, jak zwierzęta, zmieniając formę w locie. Dzięki kozie (dobre na wszystkich terenach) osiągnęli właśnie to – i stworzyli nowy paradygmat robotycznej lokomocji i kontroli w tym procesie.
Dzięki elastycznej, ale trwałej konstrukcji koza może spontanicznie zmieniać się między płaskim kształtem „łazika” a kulą podczas ruchu. Pozwala to przełączać się między jazdę, toczeniem, a nawet pływaniem, jednocześnie zużywając mniej energii niż robot z kończynami lub dodatkami.
„Podczas gdy większość robotów oblicza najkrótszą ścieżkę od A do B, kozia rozważa modalność podróży, a także ścieżkę, którą należy podjąć” – wyjaśnia Hughes. „Na przykład, zamiast chodzić po przeszkodzie, takiej jak strumień, koza może pływać prosto. Jeśli jej ścieżka jest pagórkowata, może pasywnie toczyć się w dół jako kula, aby oszczędzać zarówno czas, jak i energię, a następnie aktywnie prowadzić jako łazik, gdy toczenie się nie jest już korzystne”.
Badania zostały opublikowane w Science Robotics.
Zgodność jest kluczowa
Aby zaprojektować swojego robota, zespół Create inspiruje się z całego królestwa zwierząt, w tym pająki, kangurów, karaluchów i ośmiornicy. Podejście bioinspirowane przez zespół doprowadziło do projektu, który jest bardzo zgodny, co oznacza, że dostosowuje się do interakcji z otoczeniem, a nie pozostając sztywnym. Ta zgodność oznacza, że kozia może aktywnie zmieniać swój kształt, aby zmienić swoje właściwości pasywne, od bardziej elastycznej w konfiguracji „łazika”, na bardziej solidną jako kula.
Zbudowana z niedrogich materiałów prosta rama robota wykonana jest z dwóch przecinających się elastycznych prętów z włókna szklanego, z czterema zmotoryzowanymi kółkami bez krawędzi. Dwa kable napędzane wciągarkami zmieniają konfigurację ramki, ostatecznie skracając jak ścięgna, aby mocno ją narysować w piłkę. Akumulator, komputer na pokładzie i czujniki są zawarte w ładowności, wadze do 2 kg, które jest zawieszone na środku ramki, gdzie jest dobrze chroniona w trybie sfery – podobnie jak jeże chroni go podbroby.
Ścieżka najmniejszego oporu
Utwórz student laboratorium Max Polzin wyjaśnia, że zgodność pozwala również na nawigację kozą za pomocą minimalnego sprzętu do wykrywania. Dzięki tylko systemowi nawigacji satelitarnej i urządzeniu do pomiaru własnej orientacji robota (jednostka pomiaru bezwładności), kozia nie przenosi kamer na pokładzie: po prostu nie musi dokładnie wiedzieć, co leży na jego ścieżce.
„Większość robotów, które poruszają się w ekstremalnym terenie, ma wiele czujników do określenia stanu każdego silnika, ale dzięki jego zdolności do wykorzystania własnej zgodności koza nie wymaga złożonego wykrywania. Może wykorzystać środowisko, nawet przy bardzo ograniczonej wiedzy, aby znaleźć najlepszą ścieżkę: ścieżkę najmniejszego oporu” – mówi Polzin.
Przyszłe drogi badawcze obejmują ulepszone algorytmy, które pomogą wykorzystać unikalne możliwości morfowania, zgodne z robotami, a także skalowanie projektu koziego w górę i w dół, aby pomieścić różne ładunki. Patrząc w przyszłość, naukowcy widzą wiele potencjalnych zastosowań swojego urządzenia, od monitorowania środowiska po reakcję katastrof, a nawet eksplorację pozaziemską.
„Roboty takie jak kozie mogą być szybko wdrażane w nieznanym terenie z minimalnym systemem percepcji i planowania, umożliwiając im przekształcenie wyzwań środowiskowych w zasoby obliczeniowe” – mówi Hughes. „Wykorzystując połączenie aktywnej rekonfiguracji i pasywnej adaptacji, następna generacja zgodnych robotów może nawet przewyższyć wszechstronność natury”.