Roboti vs zvířata: kdo vyhraje závod v přirozeném prostředí?

souhrn: Vědci zjistili, zda moderní roboti dokážou překonat biologické organismy v rychlosti a obratnosti. Studie dospěla k závěru, že navzdory pokroku ve strojírenství zvířata stále překonávají roboty v účinnosti lokomotiv v přirozeném prostředí.

Výzkumníci zjistili, že integrace robotických komponent nedosahuje koherentního procesu na úrovni systému, který lze pozorovat u zvířat. Tato vize pohání vývoj integrovanějších a přizpůsobivějších robotických systémů inspirovaných přírodním designem.

Klíčová fakta:

1. Robotická versus biologická účinnost: Studie potvrzuje, že jednotlivé robotické subsystémy, jako je výkon a ovládání, se mohou vyrovnat svým biologickým protějškům nebo je převyšovat, ale když jsou tyto systémy kombinovány, roboti nepodávají tak dobrý výkon jako zvířata.
2. Inspirativní biologické modely: Výzkum zdůrazňuje, jak zvířata, jako jsou vlčí pavouci a švábi, vynikají ve složitých terénech a úkolech díky jejich integrovaným a všestranným biologickým systémům.
3. Budoucí inženýrské trendy: Zjištění povzbudí inženýry, aby přehodnotili design robotů a volají po integrovanějším přístupu podobnému biologickým systémům, kde jsou různé funkce kombinovány v rámci jednotlivých komponent.

zdroj: University of Colorado

Možná jde o verzi příběhu o želvě a zajíci z 21. století: Kdo by vyhrál v pěším závodě mezi robotem a zvířetem?

V novém perspektivním článku se tým inženýrů ze Spojených států a Kanady, včetně robotika Kaushika Jayarama z University of Colorado Boulder, rozhodl na tuto záhadu odpovědět.

Skupina analyzovala data z desítek studií a dospěla k rozhodnému „ne“. Téměř ve všech případech se zdá, že biologičtí tvorové, jako jsou gepardi, švábi a dokonce i lidé, dokážou překonat své robotické protějšky.

Vědci pod vedením Samuela Bordena z Washingtonské univerzity a Maxwella Donnellana z Univerzity Simona Frasera zveřejnili své poznatky minulý týden v časopise. Vědecká robotika.

„Jako inženýr je to trochu nepříjemné,“ řekl Jayaram, odborný asistent na katedře strojního inženýrství Paula M. Rady na University of Colorado Boulder. „Za 200 let rozsáhlého inženýrství jsme byli schopni poslat kosmické lodě na Měsíc, Mars a mnohem více, ale je záhadné, že zatím nemáme roboty, kteří by se pohybovali v přirozeném prostředí mnohem lépe než biologické systémy.“

Doufá, že tato studie inspiruje inženýry, aby se naučili stavět chytřejší a přizpůsobivější roboty. Vědci došli k závěru, že neschopnost robotů překonat zvířata není způsobena nedostatkem žádného strojního zařízení, jako jsou baterie nebo motory. Místo toho se mohou inženýři potýkat s problémy, aby tyto části efektivně spolupracovaly.

Toto pronásledování je jednou z hlavních Jayaramových vášní. Jeho laboratoř v kampusu CU Boulder je domovem mnoha strašidelných plazů, včetně několika chlupatých vlčích pavouků o velikosti půl dolaru.

„Vlčí pavouci jsou přirození lovci,“ řekl Jayaram. „Žijí pod kameny a mohou běžet přes složitý terén úžasnou rychlostí, aby chytili kořist.“

Představuje si svět, ve kterém inženýři staví roboty, kteří se chovají spíše jako tito neobvyklí pavouci.

„Zvířata jsou do určité míry ztělesněním tohoto konečného principu designu, systému, který spolu dobře funguje,“ řekl.

Energie švábů

Otázka „Kdo umí lépe běhat, zvířata nebo roboti?“ Je to složité, protože samotná operace je složitá.

V předchozím výzkumu Jayaram a jeho kolegové z Harvardské univerzity navrhli skupinu robotů, kteří se snaží napodobit averzivní chování švábů. Týmový model HAMR-Jr se vejde do mince a běží rychlostí ekvivalentní rychlosti geparda. Ale Jayaram poznamenal, že zatímco HAMR-Jr se může pohybovat dopředu a dozadu, nepohybuje se dobře ze strany na stranu nebo na nerovném terénu.

Oproti tomu skromný šváb nemá problém běhat po površích od porcelánu až po špínu a štěrk. Mohou také rozbít stěny a protlačit se malými prasklinami.

Aby autoři nové studie pochopili, proč je tato rozmanitost výzvou pro robotiku, rozdělili tyto stroje do pěti podsystémů včetně napájení, rámu, ovládání, snímání a ovládání. K překvapení skupiny se zdálo, že několik z těchto subsystémů zaostává za svými zvířecími protějšky.

Například vysoce kvalitní lithium-iontové baterie mohou poskytnout až 10 kilowattů energie na každý kilogram (2,2 libry), který váží. Naproti tomu živočišná tkáň toho produkuje asi desetinu. Mezitím se svaly nemohou přiblížit absolutnímu točivému momentu mnoha motorů.

„Ale na systémové úrovni nejsou roboti dobří,“ řekl Jayaram. „Čelíme zásadním kompromisům v oblasti designu, pokud se pokusíme zlepšit jednu věc, například rychlost vpřed, můžeme ztratit něco jiného, ​​například schopnost otáčení.

Pavoučí smysly

Jak tedy mohou inženýři postavit roboty, kteří jsou stejně jako zvířata více než jen součtem jejich částí?

Jayaram poznamenal, že zvířata nejsou rozdělena do samostatných subsystémů stejným způsobem jako roboti. Například vaše kvadricepsy pohánějí vaše nohy jako motory HAMR-Jr pohánějí vaše končetiny. Ale čtyřkolky také produkují svou vlastní sílu tím, že rozkládají tuky a cukry a integrují nervové buňky, které dokážou vnímat bolest a tlak.

Jayaram si myslí, že budoucnost robotiky může být omezena na „funkční podjednotky“, které dělají totéž: Proč místo toho, aby byly napájecí zdroje odděleny od motorů a desek plošných spojů, proč je všechny neintegrovat do jedné části?

V článku z roku 2015 počítačový vědec Nicholas Curiel, který nebyl zapojen do současné studie, navrhl takové teoretické „robotické materiály“, které by fungovaly spíše jako čtyřkolky.

K dosažení tohoto cíle jsou inženýři ještě daleko. Někteří, jako Jayaram, podnikají kroky tímto směrem, jako je to s robotem Articulated Arthropod Insect Robot (CLARI) z jeho laboratoře, vícenohým robotem, který se pohybuje trochu jako pavouk.

Jayaram vysvětlil, že CLARI je založeno na modulární konstrukci, kde každá z jeho nohou funguje jako samostatný robot s vlastním motorem, senzory a řídicími obvody. Nová a vylepšená verze týmu, nazvaná mCLARI, se může pohybovat všemi směry ve stísněných prostorech, jako první u čtyřnohých robotů.

Je to něco jiného, ​​co se inženýři jako Jayaram mohou naučit od těch typických lovců, vlčích pavouků.

„Příroda je opravdu užitečný učitel.“

O novinkách ve výzkumu robotiky a neurotechnologií

autor: Daniel Strain
zdroj: University of Colorado
sdělení: Daniel Strain – University of Colorado
obrázek: Obrázek připsán Neuroscience News

Původní vyhledávání: Otevřený přístup.
„Proč mohou zvířata překonat roboty?„Od Kaushika Jayarama a kol. Vědecká robotika

shrnutí

Proč mohou zvířata překonat roboty?

Zvířata jsou mnohem lepší v běhu než roboti. Rozdíl ve výkonu vzniká v důležitých dimenzích hbitosti, dojezdu a odolnosti.

Abychom pochopili důvody této mezery ve výkonu, porovnáme přirozené a umělé technologie v pěti kritických operačních subsystémech: napájení, rám, ovládání, snímání a ovládání.

Až na několik výjimek technické technologie dosahují nebo překračují výkonnost svých biologických protějšků.

Došli jsme k závěru, že výhoda biologie oproti inženýrství vyplývá z lepší integrace subsystémů, a identifikujeme čtyři klíčové překážky, které musí robotici překonat.

Abychom tohoto cíle dosáhli, zdůrazňujeme slibné směry výzkumu, které mají obrovský potenciál pomoci budoucím robotům dosáhnout výkonu na úrovni zvířat.