Les ingénieurs sont d’accord: la nature fabrique les meilleurs robots

Mon escorte et moi-même avons marché pendant cinq bonnes minutes à travers un entrepôt reconverti, parcourant un dédale de sombres couloirs et une baie de rails caverneux, puis un laboratoire rempli de squelettes de vaisseaux spatiaux en pleine phase de prototypage. Nous avons finalement atteint l’établi où la marine construit… un écureuil robot.

"Squirrel" est un peu exagéré, car la première version entièrement intégrée de l'Initiative de locomotion robotique méso-échelle (MeRLIn) pèsera 10 à 20 livres lorsqu'elle sera terminée ce printemps - un monstre de rongeur, selon la définition de quiconque. Le robot, dans sa forme actuelle, consiste en un collecteur rectangulaire et la dixième itération d'une jambe à joint de chien, monté sur une jambe de force coulissante en aluminium. Un modèle 3D imprimé bleu vif à proximité a montré à quoi il ressemblerait une fois terminé: une machine sans tête et à quatre pieds de la taille d'un Yorkshire terrier.

Mais lorsque les ingénieurs du projet ont décidé de me faire une démonstration, j'ai compris pourquoi ils parlaient de MeRLIn comme d'un écureuil: malgré ses moteurs minuscules et ses pistons à commande hydraulique, il peut sauter comme un diable.

MeRLIn est l'un des robots récents qui doivent remercier les animaux pour leur inspiration. Le règne animal regorge d'exemples de sensations et de mouvements intelligents, et l'efficacité est la règle dans le monde de la robotique autonome à puissance limitée et alimenté par batterie. La capacité d'imiter le saut d'un kangourou, par exemple, permettrait de réaliser un compromis idéal entre puissance et performance: les tendons des formidables membres postérieurs de ces marsupiaux emmagasinent de l'énergie entre chaque foulée, permettant ainsi aux animaux de parcourir de longues distances avec une dépense énergétique relativement faible.

Photo: US Naval Research

La biologie est à l’origine de certaines des conceptions robotiques les plus innovantes qui émergent aujourd’hui: regardez le Salto de Berkeley de UC, inspiré par le bushbaby africain au saut élevé, ou le mantabot de l’Université de Virginie, inspiré des rayons coroneux de la baie de Chesapeake.

Il est facile de voir pourquoi. Les conceptions inspirées biologiquement présentent des avantages évidents pour la réalisation de tâches pour lesquelles la forme humaine est mal adaptée. Des mouches minuscules aux poissons d'eaux profondes et même aux microbes (certaines piles à combustible sont alimentées par la chimie microbienne), la nature a bricolé et amélioré des moyens incroyablement efficaces pour mener à bien des tâches. Des millions d'années d'évolution ont rendu les animaux incroyablement efficaces dans leur travail: voler, sauter, marcher et nager; détecter dans des spectres invisibles; et probablement plus de capacités que nous n'avons pas encore découvertes.

Loin d’être des répliques mécaniques d’animaux, les bio-robots construits aujourd’hui poursuivent l’objectif de la distillation de ces élégantes solutions biologiques. Il s’agit maintenant d’analyser la nature de ces stratégies, de les réduire à leurs essences principales et de les exploiter à nos propres fins. Bien que scientifiques et ingénieurs construisent des composants plus mobiles, des processeurs capables de penser plus profondément et des capteurs capables de détecter plus finement, l'assemblage de tous ces éléments en un package véritablement fonctionnel et pouvant être produit en grande série reste une tâche ardue.

Tomber avant de marcher

Si MeRLIn semble familier, eh bien, ça devrait l'être. Glen Henshaw, l'investigateur principal du projet, a déclaré que son équipe ne cachait pas le fait que MeRLIn était inspiré par des ancêtres beaucoup plus grands et plus lourds qui avaient déjà trouvé une bonne part de la renommée d'Internet, notamment le L3 de Boston Dynamics, Big Dog et MIT. Guépard.

Photo: Laboratoire de recherche de la marine américaine / Victor Chen

L'objectif des ingénieurs du Navy Research Lab est de créer un robot plus petit, plus silencieux et plus agile, qui ne nécessite pas la présence de deux jeunes Marines attachés pour le mettre en place afin de détecter les dangers potentiels. Mais construire MeRLIn n’est pas aussi simple que de réduire toutes les pièces pour faire un robot qui puisse tenir dans un sac à dos de soldat. Il s'agit également de comprendre comment et pourquoi certaines allures fonctionnent, pourquoi elles s'adaptent à des terrains variés et comment construire un robot capable d'apprendre à s'adapter et à choisir les bonnes.

En arrivant sur le banc de MeRLIn, l'ingénieur en systèmes de contrôle, Joe Hays, a saisi plusieurs commandes de test sur un ordinateur, ce qui a provoqué un tic-tac de la jambe du robot. Après avoir retiré sa jambe de force, la jambe unique de MeRLIn a maintenu son corps de la taille d'une brique sous son propre pouvoir, maintenant chargé de fluide hydraulique.

Quelques instants plus tard, avec un spasme de foudre, la jambe a lancé merRLin près de trois pieds dans les airs, guidé et retour à la table par son rail métallique vertical. Répétant cet exercice trois fois de plus, le robot a heurté le plafond de son enceinte de protection après un dernier saut puissant, atterrissant si violemment que sa jambe s’est effondrée.

"Franchement, nous ignorons encore beaucoup de choses sur la locomotion animale", a déclaré Henshaw. "Et nous ne comprenons vraiment pas le système neuromusculaire aussi bien que nous le voudrions. Nous essayons de construire quelque chose sans savoir exactement comment il doit marcher."

L'équipe travaille encore sur quelques problèmes supplémentaires liés à l'hydraulique, mais a obtenu de bons résultats avec un algorithme adaptatif qui sonde et corrige les incertitudes dans les circuits du matériel à une vitesse d'une fois par milliseconde. Ils s’attendent à ce qu’il essaie de sauter du sol à un bureau d’ici plusieurs mois.

À l'Université de Pennsylvanie, Minitaur d'Avik De et Gavin Kenneally est un autre quadrupède ultraléger et léger, créé sous la direction de Dan Koditschek. Pesant à peine 14 livres, leur petit bot a une démarche attachante. L'attrait devient vite étonnant, cependant, lorsque vous regardez des vidéos de leur création grimpant des escaliers, grimpant des barrières et sautant pour déverrouiller une poignée de porte.

Photo: Courtesy Ghost Robotics

De et Kenneally ont radicalement coupé la majeure partie de leurs robots en utilisant des jambes à entraînement direct et à balancement libre au lieu des jambes traditionnelles à entraînement par engrenages. Les moteurs agissent en tant que capteurs de rétroaction pour le logiciel du robot, détectant et ajustant le couple qu'ils fournissent 1 000 fois par seconde. Le résultat est un robot qui peut suivre lentement ou rapidement, monter les escaliers, sauter et balancer une paire de jambes autour pour accrocher une poignée de porte afin de l'ouvrir.

Bien qu'il soit encore loin d'être autonome, il manque des capteurs et des systèmes de contrôle qui lui permettraient une portée libre, mais l'action unique du pogo-stick réglable de Minitaur démontre que l'agilité est possible même sans de grands mécanismes d'entraînement puissants. Il est également fabriqué à partir de pièces disponibles dans le commerce.

"De toute évidence, la motivation pour avoir des jambes est grande, mais l'état actuel de la technologie n'est pas assez mature et son coût prohibitif", a déclaré De, faisant référence au robot Atlas de Boston Dynamics, plus que capable, mais propriétaire et coûteux, donc pas facile. répliqué. "Nous voulions créer un robot accessible à d'autres personnes afin qu'elles puissent essayer d'implémenter la plate-forme pour leurs propres applications."

Solutions Slithery

De son propre aveu, Howie Choset a peur des serpents. Il est donc extrêmement ironique que ses œuvres les plus connues puissent être qualifiées de «serpent».

Choset, professeur agrégé à la Carnegie Mellon University de Pittsburgh, travaille avec des robots à serpents depuis qu'il est étudiant aux cycles supérieurs et accumule de nombreuses réalisations. Il dirige l’Institut de robotique de la CMU, un laboratoire où de nombreuses créations en cours présentent les segments de corps de serpents qui se répètent. Il est également rédacteur en chef du journal Science Robotics, récemment publié, et a écrit un manuel sur les principes du mouvement des robots.

Et juste pour rester occupé, il a également fondé deux sociétés: Hebi Robotics et Medrobotics. L'outil chirurgical endoscopique avancé de ce dernier, le système robotique Flex, a été approuvé par la FDA en 2015 pour utilisation. Bien que Choset ne soit plus officiellement affilié à Medrobotics, il a déclaré que regarder une opération en direct dans laquelle le robot était utilisé était le point culminant de son expérience professionnelle.

Photo: Gracieuseté de Howie Choset

Choset se demande si le Flex a été inspiré par des serpents; il a dit que la forme en serpentin du robot avait été conçue en tenant compte des méandres de l'espace intérieur humain. Mais d’autres travaux plus récents ont très certainement consisté à examiner les serpents et à leur modeler des robots, en particulier grâce à la collaboration avec Dan Goldman de Georgia Tech, physicien dont les recherches en biomécanique ont conduit à la création de robots inspirés du mouvement des crabes, des tortues de mer, cafards, mudskippers et sandfish.

Choset reconnaît également l'influence de l'un des pionniers de la robotique bio-inspirée, Robert Full, qui dirige le laboratoire Poly-Pedal de l'UC Berkeley. En étudiant le comportement des cafards et celui des geckos sur les surfaces verticales, Full, Choset et d'autres cherchent à résumer ces secrets en principes de conception généraux pouvant être appliqués de manière innovante.

"Faut-il copier la biologie? Non. Demandez à un biologiste pour cela", a déclaré Choset. "Ce que nous voulons, c'est choisir les meilleurs principes et partir de là."

Ensemble, Choset et Goldman, ainsi que Joseph Mendelson du Zoo d'Atlanta, ont étudié le mouvement des serpents Sidewinder, avant de les caractériser par une série de vagues changeantes. En appliquant ces connaissances à la programmation de ses serpents robotisés, l'équipe de Choset a été en mesure de les faire grimper sur des monticules de sable, une tâche auparavant impossible. Comprendre comment les serpents changent la forme de leur corps pour se déplacer a également permis à Choset de construire des robots serpents capables de coincer des poteaux et l’intérieur des linteaux de portes, ce qu’il considérait comme extrêmement utile pour explorer des intérieurs dangereux - par exemple une centrale nucléaire limites inaccessibles d'un site archéologique.

"Je suis touché par le fait que la biologie est si complexe et ne peut qu'espérer en prendre un peu et l'intégrer à nos robots", a déclaré Choset. "Mais nous ne reproduisons pas les animaux avec le degré et la capacité dont ils disposent. Ce que nous voulons, c'est créer des mécanismes et des systèmes dotés de grandes capacités."

Sa description de ses propres avancées et des réussites et découvertes de ses élèves comme assez fortuites s’applique également à la façon dont de tels robots vont émerger dans le monde à mesure qu’ils mûrissent. Lentement, par petites quantités, la recherche avance, at-il dit.

"L'évolution est aléatoire aussi", a affirmé Choset. "Il n'y a pas de point tournant, mais seulement une série de développements qui, vus de l'extérieur, semblent être une grande avancée."

Un croisement critique

Dans l’ensemble, les ingénieurs ne peuvent pas savoir comment fonctionne la biologie, ce qui rend les collaborations entre ingénieurs et biologistes essentielles. À l’Université de Chicago, les études du biologiste Mark Westneat sur les mâles, une classe de poissons, ont conduit à une collaboration avec la Marine, qui a abouti à la mise au point d’un drone sous-marin lent mais agile. Connus sous le nom de WANDA (qui signifie "automate agile inspiré par le naufragé à proximité des rives déformables"), de tels drones seront utiles pour l'inspection des coques de navires, des quais et des plates-formes pétrolières.

La photographie à haute vitesse était au cœur des efforts déployés il y a près de 20 ans, lorsque Westneat a commencé à étudier l'imagerie des mâles et avant que la marine ne s'intéresse de plus près au travail. Dans un réservoir d'écoulement à courant constant, que Westneat appelle «un tapis roulant pour le poisson», les nageoires nagent joyeusement, n'utilisant que leurs nageoires pectorales pour maintenir une position fixe dans le réservoir, tandis que des caméras haute vitesse capturent chaque détail de ce mouvement à 1 000 images par seconde.

Photo: Laboratoire de recherche de la marine américaine / Victor Chen

Combinée aux connaissances très détaillées des biologistes sur l'anatomie du poisson - comment les rayons des ailerons s'attachent à ses muscles, comment les terminaisons nerveuses des membranes des ailerons transmettent le stress et les tensions - la photographie permet de mieux comprendre comment les araignées se déplacent dans l'eau avec la torsion et la torsion de leur trait caractéristique en forme de pingouin. La capacité du napoléon à rester en vol stationnaire tout en gardant son corps immobile, même dans des courants forts ou fluctuants, en fait une espèce idéale pour modéliser un nouveau type de véhicule sous-marin agile, a déclaré Jason Geder, ingénieur en chef du projet WANDA chez NRL.

"Les véhicules traditionnels équipés d'hélices ou de propulseurs n'ont pas ce genre de manœuvrabilité ou ont un rayon de virage trop élevé", a déclaré Geder. "C'était un bon poisson à modéliser, car si nous voulions une coque rigide pour les charges utiles au centre du véhicule, nous pourrions obtenir des performances similaires en utilisant simplement ce type de mouvement de la nageoire pectorale."

Westneat pense que les nouvelles capacités de photographie 3D peuvent faire progresser la recherche. "Pour le poisson, c'est la vie ou la mort, mais pour nous, une meilleure compréhension de l'efficacité peut signifier une meilleure alimentation de la batterie", a déclaré Westneat. "Nous aimerions vraiment imiter de près la structure squelettique sous-jacente et les propriétés mécaniques des membranes et voir si nous pouvons obtenir un rendement extrêmement élevé."

Les collections biologiques des musées constituent une autre ressource riche et sous-utilisée pour les chercheurs. Le Smithsonian, par exemple, détient près de 600 000 spécimens dans sa seule collection de vertébrés, et Rolf Müller, de Virginia Tech, s'est inspiré de ces informations pour ses travaux sur les drones inspirés des chauves-souris. En utilisant des scans 3D des oreilles et des nez de chauve-souris du Smithsonian, Mueller a créé des structures similaires pour son robot volant afin de l'aider à rendre compte de ses commentaires en effectuant des tests.

"Vous avez ces millions d'exemplaires alignés dans des tiroirs, auxquels vous pouvez accéder très rapidement", a déclaré Müller. Il a participé à la création d'un consortium de professionnels de musées et de chercheurs dans le but de rendre les collections de ce genre partout au pays plus accessibles aux progrès biologiques.

Et puis, que la source nage dans un réservoir ou couchée dans un tiroir de stockage, la traduction de ces données en une forme utile reste un défi. "Votre ingénieur typique veut des spécifications, mais le biologiste pourrait leur remettre des dessins anatomiques", a déclaré Westneat.

Ce n’est qu’après avoir commencé lui-même à assister à certaines de ces discussions sur l’ingénierie qu’il s’est rendu compte que son travail pouvait fournir des données mécaniques sur les mouvements du poisson pouvant être converties en puissance et en forces motrices. Les informaticiens doivent donc produire une machine en état de marche. "Ce sont des choses sur lesquelles la sélection naturelle peut agir, mais elles font également la différence entre le véhicule autonome qui rend au navire ou non."

Retour à l'école

L'apprentissage, la mémoire et l'adaptation sont d'autres défis à relever. De retour à l'entrepôt reconverti de la Marine, l'équipe de MeRLIn est toujours principalement engagée dans les problèmes de miniaturisation. Mais ils sont tous trop conscients que le robot envisagé ne serait pas complet sans la capacité d'apprendre, de se souvenir et de s'adapter.

Henshaw, qui élève des moutons à la maison quand il n'est pas au laboratoire, a déclaré que regarder des agneaux nouveau-nés passer d'un tas humide à une marche en quelques heures soulignait la difficulté de reproduire artificiellement ce processus. "Personne ne comprend vraiment comment cela fonctionne", a déclaré Henshaw au sujet des changements neuronaux nécessaires aux agneaux pour adapter en permanence leur locomotion aux changements rapides de la masse corporelle à mesure qu'ils grandissent en moutons. Une approche que son équipe a adoptée pour aborder cette stratégie consiste à écrire un logiciel leur permettant de modifier la façon dont les allures MeRLIn sont générées.

Henshaw participe également à un autre projet visant à développer un système d’apprentissage inspiré par la biologie. Il m'a montré une vidéo d'une jambe robotisée qui frappait un ballon dans un petit but de football. Après trois coups de pied programmés, la jambe frappe le ballon à elle seule 78 fois de plus, en choisissant systématiquement ses propres cibles et en gardant une trace de ses succès et de ses échecs. Ce code, plus perfectionné et appliqué à un robot tel que MeRLIn, faciliterait par exemple l’adaptation d’un robot marcheur à différents poids de charge utile ou longueurs de jambes, par exemple.

"De nombreux projets ont des équations qui permettent d'optimiser le centre de gravité ou le mouvement à l'aide d'équations mathématiques complexes en temps réel", a déclaré Henshaw. "Cela fonctionne, mais ce n'est pas vraiment biologique. Je ne peux pas prétendre que l'algorithme que j'ai écrit est précisément ce qui se passe dans le cerveau, mais il me semble que quelque chose doit se passer. Les humains apprennent à grimper aux arbres et à donner des coups de pied. balles par la pratique, pas d'optimisation numérique ".

L’apprentissage en profondeur et l’accès aux connaissances collectées accéléreraient probablement ce processus, a ajouté Henshaw, mais là encore, le matériel n’est ni assez robuste ni suffisamment petit pour s’intégrer à quelque chose d'aussi petit que MeRLIn. "Si vous voulez ces petits robots, ce n'est pas tellement que nous devons améliorer les algorithmes, mais le matériel sur lequel ils fonctionnent", a-t-il déclaré. "Sinon, il faudra un ordinateur trop gros, avec des piles trop grandes, et ça ne marchera pas."

Un marché émergent

Les raccourcis fournis par la biologie pour la création de plates-formes corporelles et de stratégies de locomotion innovantes peuvent également contribuer à rendre les robots biologiquement inspirés plus viables sur le plan économique. Choset n'est pas le seul universitaire à avoir fondé une entreprise pour faire progresser les applications pratiques de ses créations. En fait, Eelume, fondée par la professeure de robotique Kristin Ytterstad Pettersen de l’Université norvégienne des sciences et technologies, commercialise actuellement son propre serpent de nage robotisé pour des tâches d’exploration et d’inspection sous-marines. Et De et Kinneally ont fondé Ghost Robotics, une société qui commercialise Minitaur.

Les grandes entreprises privées se lancent également dans le jeu. Boston Engineering est sur le point de lancer des démonstrations sur le terrain avec son robot d’inspection marine, baptisé BioSwimmer. Ce bot n’est pas simplement inspiré par un thon, mais tout son corps extérieur est basé sur le scannage d’un thon rouge de cinq pieds de long capturé près des bureaux de la société à Waltham, dans le Massachusetts. Et comme avec un thon vivant, la propulsion provient de la queue, ce qui permet d'empiler la moitié avant du véhicule avec des capteurs et des charges utiles. L'objectif n'était toutefois pas d'imiter un thon, mais d'exploiter l'efficacité et les performances élevées de l'animal.

Mike Rufo, directeur du groupe de systèmes avancés de Boston Engineering, a déclaré que les aspects biologiques de la conception ne facilitaient pas la création, mais que cela ne créait pas non plus de difficultés supplémentaires. Rufo affirme que la société a construit BioSwimmer (qui mesure 5 pieds de long et 100 livres) pour environ le même coût que des projets similaires - environ 1 million de dollars - et que son prix sera similaire à celui des autres véhicules de cette taille. Mais les efficacités de mouvement fournies par la stratégie de propulsion inspirée du thon lui permettent de fonctionner plus longtemps avec des sources d’énergie standard.

"Il y a quelques obstacles techniques que nous rencontrons collectivement avec la robotique bioinspirée", a déclaré Rufo. "Mais la bioinspiration offre des opportunités pour aborder directement ces problèmes ou pour améliorer les performances de manière à atténuer l'impact de ces défis. Par exemple, malgré quelques avancées vraiment intéressantes dans la technologie des batteries, nous sommes sur un plateau de puissance à laquelle vous pouvez intégrer quelque chose d’une taille donnée. Mais si vous pouvez parler de l’efficacité d’un système, la batterie ne vous impactera peut-être pas autant. C’est un domaine dans lequel la bioinspiration joue un rôle important. " Néanmoins, il pense que des robots comme ceux-ci ne seront pas monnaie courante, dans les applications de défense ou autrement, pendant au moins les cinq à dix prochaines années.

Quels que soient les défis monumentaux à surmonter avant que nous ayons des assistants robotiques pas trop effrayants dans notre vie quotidienne, d’énormes progrès ont déjà été accomplis ces dernières années pour concrétiser ce que la biologie et l’évolution ont mis en évidence: la capacité éblouissante des organismes s'adapter et performer.

"Il semble parfois sisyphe, oui", a déclaré Westneat. "Je regarde ces robots aquatiques, et ils me semblent maladroits; mais ensuite, je suis habitué à voir ces animaux gracieux nager à travers un récif de corail. Mais ce n'est pas trop scandaleux de penser que les ingénieurs et les biologistes peuvent se réunir et créer Des robots que vous jetez dans l’eau et qui nagent par eux-mêmes. Tout est excitant."