エンジニアは同意する：自然は最高のロボットを作る

私の護衛と私は、変換された第二次世界大戦時代の倉庫を5分間歩いて、薄暗い廊下の迷路と海峡のレールベイを曲がりくねった後、プロトタイプの最中に宇宙船の骨格でいっぱいの研究室を歩きました。 やっと海軍が建設している作業台に到着しました…ロボットのリス。

「リス」は少しばかり伸びています。メソスケールロボット移動イニシアチブ（MeRLIn）の最初の完全に構築されたバージョンは、この春が終わると10〜20ポンドの重量になります。 。 現在の形のロボットは、長方形のマニホールドと、スライド式アルミニウム支柱に取り付けられた犬の関節の脚の10回目の繰り返しで構成されています。 近くの明るい青の3D印刷モデルは、完成するとどのように見えるかを示しました。ヨークシャーテリアほどの大きさの、頭のない4本足のマシンです。

しかし、プロジェクトのエンジニアが私にデモを提供するためにそれを始動させたとき、私は彼らがMeRLInをリスと呼ぶ理由を見ました：その小さなモーターと油圧駆動ピストンにもかかわらず、それは地獄のように跳ぶことができます。

MeRLInは、インスピレーションに感謝する動物を持つ最近のロボットの1つです。 動物界には巧妙なセンシングと動きの例がたくさんあり、自律型ロボットのバッテリー駆動の限られた電力の世界では効率が最重要です。 たとえば、カンガルーのジャンプを模倣する能力は、パワーとパフォーマンスの理想的なトレードオフを実現します。これらの有袋類の恐ろしい後肢の腱は、すべてのストライドの間にエネルギーを蓄え、動物が比較的少ないエネルギー消費で長距離を移動できるようにします。

写真：米国海軍研究

生物学は、今日登場する最も革新的なロボット設計のいくつかの背後にあります。チェサピーク湾のカヌーの光線をモデルにした、跳躍するアフリカのブッシュベイビーに触発されたUCバークレーのサルト、またはバージニア大学のマンタボットを見てください。

理由は簡単にわかります。 生物に触発されたデザインは、人間の形にあまり適合していないタスクを達成する際に明確な利点があります。 小さなハエから深海の魚、さらには微生物まで（一部の燃料電池は微生物化学によって駆動されます）、自然は仕事を成し遂げる驚くほど効果的な方法をいじり、微調整しました。 何百万年もの進化により、動物は飛ぶ、ジャンプする、歩く、泳ぐなどの仕事で非常に効果的になりました。 目に見えないスペクトルのセンシング。 まだ発見されていない可能性が高い機能です。

しかし、動物の機械的複製物とはほど遠く、今日構築されているバイオロボットは、これらのエレガントな生物学的ソリューションを蒸留するという目標を前進させています。 今のプッシュは、それらの戦略が何であるかを分析し、それらを主要な本質に切り詰め、そして私たち自身の目的のためにそれらを利用することです。 科学者とエンジニアがよりよく動くコンポーネントを構築している間、より深く考えることができるプロセッサーと、より細かく検出できるセンサーは、それを一緒に真に機能的で大量生産可能なパッケージにつなぎ合わせるのはとらえどころのない仕事です。

歩く前に落ちる

MeRLInがおなじみの場合は、そうですね。 プロジェクトの主任調査員であるグレン・ヘンショー氏は、ボストン・ダイナミクスのL3やビッグ・ドッグとMITなど、すでにかなりのインターネット名声を獲得しているはるかに大きくて重い先祖にMeRLInがインスパイアされているという事実について、彼のチームは骨を折らないと述べたチーター。

写真：米国海軍研究所/ビクター・チェン

海軍研究所のエンジニアが目指しているのは、より小さく、より静かで、より機敏なロボットであり、潜在的な危険をチェックするために2人の若い海兵隊員を設置する必要のないロボットです。 しかし、MeRLInの構築は、単にすべてのパーツを縮小して兵士のリュックサックに収まるロボットを作成するほど単純ではありません。 また、特定の歩行が機能する方法と理由、それらの歩行がさまざまな地形に適している理由、適切なものを適応して選択することを学ぶことができるロボットを構築する方法を理解するプロセスでもあります。

MeRLInのベンチに到着したコントロールエンジニアのジョーヘイズは、コンピューターにいくつかのテストコマンドを入力し、ロボットの脚を痙攣させました。 彼がサポートストラットを取り外した後、MeRLInの片脚は、現在の油圧作動油で満たされた独自の力でレンガサイズのボディを支えました。

しばらくすると、雷のけいれんで、脚はmerRLinを3フィート近く空中に打ち上げ、垂直の金属レールでテーブルに戻って誘導しました。 この運動をさらに3回繰り返して、ロボットは最後の強力なジャンプを1回行った後、保護エンクロージャの天井にぶつかり、脚が非常に重く着地しました。

「率直に言って、動物の移動についてまだ知らないことがたくさんあります」とヘンショーは言いました。 「そして、私たちは望んでいるほど神経筋系を本当に理解していません。私たちはそれがどのように歩くべきかを正確に知らずに何かを構築しようとしています。」

チームはまだ油圧に関するいくつかの問題を解決していますが、ハードウェアの回路の不確実性を1ミリ秒に1回の割合で調査して修正する適応アルゴリズムで大きな成功を収めています。 彼らは、それが数ヶ月以内に地面から机に飛び込もうとすることを期待しています。

ペンシルバニア大学のAvik DeとGavin KenneallyのMinitaurは、ダンコディチェクの指導の下で作成されたもう1つの最近の超小型で軽量の四足動物です。 体重はわずか14ポンドで、彼らの小さなボットはかわいらしい境界のある歩行をします。 しかし、階段を登り、フェンスを登り、ジャンプしてドアハンドルのラッチを解除する動画を見ると、愛着はすぐに不思議に変わります。

写真：礼儀ゴーストロボティクス

DeとKenneallyは、従来のギア駆動脚ではなく、自由にスイングする直接駆動脚を使用して、ボットの大部分を大幅に削減しました。 モーターはロボットのソフトウェアに対するフィードバックセンサーとして機能し、毎秒1, 000倍のトルクを検出して調整します。 その結果、ロボットはゆっくりと、または素早く走り、階段を登り、跳ね上がり、足を跳ね回してドアハンドルを引っ掛けて開くことができます。

自律的であり、自由な範囲を可能にするセンサーと制御システムにまだ程遠いが、Minitaurのユニークで調整可能なポゴスティックアクションは、大きく強力な駆動機構がなくても敏a性が可能であることを示しています。 また、市販の部品から作られています。

「脚を持つことへの動機付けはたくさんありますが、技術の現状は十分に成熟しておらず、法外に高価ではありません」とDeは、Boston DynamicsのAtlasロボットについても言及しました。複製されました。 「私たちは、他の人が自分のアプリケーション用にプラットフォームを実装できるように、他の人がアクセスできるロボットを作りたかったのです。」

スリザリーソリューション

ハウィー・チョセットは彼自身の入場により、ヘビを恐れています。 それから、彼の最も有名な作品が蛇のようなものとして最もよく説明できるのは驚くほど皮肉なことです。

ピッツバーグのカーネギーメロン大学の准教授であるチョセットは、大学院生の頃からヘビロボットに取り組んでおり、数々の成果を上げてきました。 彼はCMUのRobotics Instituteを運営しています。この研究所では、進行中の作品の多くが、蛇の身体の繰り返し部分を特徴としています。 また、最近デビューした Science Robotics ジャーナルの編集者でもあり、ロボットの動作原理に関する教科書を執筆しています。

そして、忙しくするために、彼はHebi RoboticsとMedroboticsという2つの会社を設立しました。 後者の高度な内視鏡手術ツールであるFlex Robotic Systemは、2015年に使用のためにFDAの承認を受けました。 現在、チョセットは正式にはメドロボティクスと提携していませんが、ロボットが使用されたライブ手術を見ることは、彼のプロとしての経験の最高点であると彼は言いました。

写真：礼儀Howie Choset

チョセットは、フレックスがヘビに触発されたかどうかをdeしています。 彼は、ロボットの曲がりくねった形は人間の内部空間のof余曲折を念頭に置いて設計されたと言いました。 しかし、最近の研究では、特にジョージア工科大学のダンゴールドマンとのコラボレーションを通じて、ヘビの観察とその後のロボットのモデリングが最も確実に関係しています。ジョージテックのダンゴールドマンは、生物力学の研究によりカニ、ウミガメの動きに触発されたロボットの作成につながった、ゴキブリ、トビハゼ、サンドフィッシュ。

Chosetは、UC BerkeleyのPoly-Pedal labを運営している、バイオにヒントを得たロボティクスの元祖の一人であるRobert Fullの影響も認めています。 ゴキブリがどのように動き、ヤモリがどのように垂直面を登るのかを研究することで、Full、Choset、およびその他は、これらの秘密を新しい方法で適用できる一般的な設計原則に押し下げようとします。

「生物学をコピーする必要がありますか？いいえ。生物学者にそれを求めてください」とチョセットは言いました。 「私たちが望んでいるのは、最高の原則を選りすぐり、そこから進むことです。」

チョセットとゴールドマンは、アトランタ動物園のジョセフ・メンデルソンと共に、サイドワインダーの蛇の動きを研究し、最終的に鋭い回転運動を一連の形状変化波として特徴付けました。 その知識を彼のロボットのヘビのプログラミングに適用して、チョセットのチームは、以前は不可能だった砂の山の上に彼らをよじ登らせることができました。 また、ヘビが体の形を変えて自分自身を回避する方法を理解することで、チョセットは柱やドアまぐさの内側をもがくヘビロボットを構築することができました。彼は、危険な内部を探検するのに非常に役立つと考えています。たとえば、原子力発電所や考古学的な場所のアクセスできない範囲。

「生物学は非常に複雑であり、それを少しだけ取り入れてロボットに入れることができるという事実に謙虚です」とチョセットは言いました。 「しかし、私たちは、動物の持つ優れた程度と能力まで動物を複製しているわけではありません。私たちが望んでいるのは、優れた能力を持つメカニズムとシステムを構築することです。

彼自身の進歩と彼の学生の業績と発見がかなり偶然であるという彼の説明は、これらのロボットが成熟するにつれてどのように世界に現れるかにも当てはまります。 ゆっくりと、少しずつ、研究が進んでいると彼は言った。

「進化も行き当たりばったりだ」とチョセットは主張した。 「転換点はありません。外から見ると、大きなブレークスルーのように見える一連の開発のみです。」

クリティカルクロスオーバー

概して、エンジニアは生物学がどのように機能するかを知ることは期待できないため、エンジニアと生物学者の間のコラボレーションが重要になります。 シカゴ大学では、生物学者のマーク・ウエストニートが魚類の一種であるベラを研究した結果、海軍との共同研究が行われ、動きが遅くても機敏な水中無人機が定位置に留まることができました。 WANDA（ "Wrasse-spired Agile Near-shore Deformable-fin Automaton"の略）として知られるこのようなドローンは、船体、桟橋、石油掘削装置の検査に役立ちます。

約20年前、ウェストニートが初めてベラの画像研究を始めたとき、海軍がこの仕事に興味を持つ前に、高速写真が努力の中心でした。 Westneatが「魚のトレッドミル」と呼ぶ定電流のフロータンクでは、ベラは胸のフィンのみを使用してタンク内の固定位置を維持し、高速カメラはその動きのすべての詳細を1, 000 1秒あたりのフレーム。

写真：米国海軍研究所/ビクター・チェン

魚の解剖学についての生物学者の非常に詳細な知識と組み合わせて-ヒレ光線が筋肉に付着する方法、ヒレ膜の神経終末がストレスと緊張を中継する方法-写真は、ベラが水の中を正確にどのように推進するかについての深い知識を可能にしますペンギンのような特徴的な羽ばたきストロークのねじれとねじれ。 NRLのWANDAプロジェクトのリードエンジニアであるJason Geder氏によると、ベラは、強い流れや変動する流れの中でも体を動かさずにホバリングすることができるため、新しいタイプの機敏な水中ビークルをモデル化するのに理想的な種です。

「従来のプロペラ駆動またはスラスター駆動の車両は、そのような操縦性を持たないか、旋回半径が高すぎます」とゲダーは言いました。 「これはモデル化するのに適した魚でした。なぜなら、車両の中心にペイロード用の剛体の船体が必要な場合、この種の胸びれの動きを使用するだけで同様の性能が得られるからです。」

Westneatは、より新しい3D写真機能により研究をさらに進めることができると考えています。 「魚にとって、それは生か死であるが、私たちにとって、効率性をよりよく理解することは、より良いバッテリー電力を意味する可能性がある」とウェストニートは言った。 「膜の骨格構造と機械的特性を厳密に模倣し、超高効率が得られるかどうかを確認したい」

博物館の生物学的コレクションは、研究者にとっては十分に活用されていないもう1つのリソースです。 たとえば、スミソニアンは脊椎動物のコレクションだけで約60万個の標本を保有しており、バージニア工科大学のロルフミュラーはコウモリにインスパイアされたドローンの研究のためにこれらの保有物を利用しました。 ミューラーは、スミソニアンのコウモリの耳と鼻の3Dスキャンを使用して、飛行ロボットに同様の構造を作成し、ジップラインガイド付きのテスト実行でフィードバックを報告できるようにしました。

「これらの数百万の標本が引き出しに並んでいるので、非常にすばやくアクセスできます」とミュラーは言いました。 彼は、博物館の専門家と研究者のコンソーシアムの設立に関与しており、バイオインスパイアードの進歩のために全国のこのようなコレクションをよりアクセスしやすくしています。

そして、ソースがタンクで泳いでいるのか、ストレージドロワーに横たわっているのかに関係なく、そのデータを有用な形式に変換することは依然として課題です。 「あなたの典型的なエンジニアは仕様を望んでいますが、生物学者は解剖学的な図面を手渡しているかもしれません」とウェストニートは言いました。

彼がこれらのエンジニアリングトークのいくつかに参加し始めてから、彼の仕事が魚の動きの機械的データを提供し、それがモーターの力と力に変換できることに気づいたのは、データエンジニアが作業機械を製造する必要があるからです。 「これらは自然選択が作用することができるものですが、それはまた、船に戻るかどうかの自律車両の違いを生みます。」

学校に戻る

学習、記憶、適応は完全に他の課題です。 海軍の改造倉庫に戻って、MeRLInチームは依然として小型化の問題に主に取り組んでいます。 しかし、彼らは、彼らが構想しているロボットが、学習し、記憶し、適応する能力なしでは完全ではないことを認識しています。

ラボにいないときは家で羊を飼っているヘンショーは、生まれたばかりの子羊が湿った山から数時間で歩くことを見るのは、そのプロセスを人為的に複製することの難しさを強調しています。 「それがどのように機能するかを本当に理解している人は誰もいません」とヘンショーは、ヒツジに成長する際の急速な体重変化に移動を継続的に適応させるために子羊に必要な神経の変化について述べました。 その戦略に取り組むために彼のチームが取っているアプローチの1つは、MeRLIn歩容の生成方法を変更できるソフトウェアを作成することです。

それとは別に、Henshawは、生物学的に着想を得た学習システムを開発する別のプロジェクトの一部です。 彼は、ロボットの脚が小さなサッカーゴールにボールを蹴るビデオを見せてくれました。 プログラムされた3回のキックの後、脚はさらに78回ボールをキックし、体系的にターゲットを選択し、成功と失敗を追跡します。 さらに洗練され、MeRLInのようなロボットに適用されると、このようなコードは、歩行ロボットが、たとえば、異なるペイロード重量または脚の長さに独自に適応することを容易にします。

「多くのプロジェクトには、大きな数学方程式を介してリアルタイムで重心または運動を最適化する方法を計算する方程式があります」とヘンショーは言いました。 「それは機能しますが、正確に生物学的ではありません。私が書いたアルゴリズムが脳で正確に起こっていると主張することはできませんが、それは継続しなければならないように見えます。数値最適化ではなく、練習を通してボールを。」

深層学習と収集された知識へのアクセスはおそらくこのプロセスを加速するだろうとヘンショーは付け加えたが、ハードウェアはMeRLInのような小さなものに適合するほど堅牢でも小さくもない。 「これらの小型ロボットが必要な場合は、アルゴリズムを改善する必要はありませんが、それらを実行するハードウェアを改善する必要があります」と彼は言いました。 「それ以外の場合は、コンピューターが大きすぎて、バッテリーが大きすぎるため、機能しません。」

新興市場

生物学が革新的な身体プラットフォームと移動戦略を作成するために提供するショートカットは、生物学的に着想を得たロボットをより経済的に実行可能にするのにも役立ちます。 チョセットは、彼の作品の実用的な応用を促進するために会社を始めた学者だけではありません。 実際、ノルウェー科学技術大学のロボット工学教授クリスティン・イッテルスタッド・ペッターセンによって設立されたEelumeは、現在、水中探査および検査タスク用に独自のロボット水泳ヘビを販売しています。 DeとKinneallyは、Minitaurを販売する企業であるG​​host Roboticsを設立しました。

大規模な民間企業もゲームに参入しています。 ボストンエンジニアリングは、BioSwimmerと呼ばれる海洋検査ロボットを使用した実地実証の最終段階にあります。 このボットは、単にマグロに触発されたものではありません。その外体全体は、マサチューセッツ州ウォルサムにある会社のオフィスの近くで捕獲された5フィートのクロマグロのスキャンに基づいています。 また、生きているマグロの場合と同様に、推進力は尾から発生し、車両の前半分にセンサーとペイロードを積み重ねることができます。 しかし、目標はマグロを模倣することではなく、動物の効率と高性能を活用することでした。

ボストンエンジニアリングの高度なシステムグループのディレクターであるマイク・ルーフォ氏は、デザインの生物学的側面は構築を容易にするものではなかったが、問題を追加することもなかったと述べました。 Rufoによると、同社はBioSwimmer（長さ5フィート、100ポンド）を類似のプロジェクトとほぼ同じコスト（約100万ドル）で構築し、そのサイズの他の車両と同様の価格になると主張しています。 しかし、マグロに触発された推進戦略によって提供される運動の効率により、標準的な電源でより長く動作することができます。

「バイオインスパイアードロボット工学に関して、全体として私たちのやり方にあるいくつかの技術的ハードルがあります」とRufo氏は言います。 「しかし、バイオインスピレーションは、それらに直接対処する機会、またはそれらの課題の影響を軽減する方法でパフォーマンスを改善する機会を提供します。たとえば、バッテリー技術のいくつかの本当にクールな進歩にもかかわらず、どのくらいの電力を統合できるかはプラトーにありますしかし、システムの効率に対処できれば、バッテリーはそれほど影響を与えないかもしれません。それはバイオインスピレーションが大きな役割を果たす1つの領域です。」 それでも、彼は、これらのようなロボットは、少なくとも今後5〜10年間は​​、防衛用途などでは一般的ではないと考えています。

私たちの日常生活にあまりにも気味の悪いロボットヘルパーがいる前に乗り越えなければならない記念碑的な挑戦にかかわらず、生物学と進化が明らかにしたものをカプセル化するために過去数年間で大きな進歩がありました：生物の眩しい能力適応して実行します。

「それは時々Sisypheanのように見えます、はい」とWestneatは言いました。 「私はこれらの水上ロボットを見て、それらは私には不格好に見えます。しかし、その後、私はサンゴ礁を泳ぐこれらの優雅な動物を見るのに慣れています。しかし、エンジニアと生物学者が集まり、自分で泳ぐロボットを水の中に投げ入れます。すべてがエキサイティングです。」