Forze della natura

Sospesa su un tapis roulant nel mezzo del laboratorio di robotica biomimetica, la creazione più famosa di Sangbae Kim attende il suo prossimo test. Cheetah III è un insieme di giunti, circuiti e motori elettrici. Come l'animale che condivide il suo nome, il robot a quattro zampe pesa circa 90 libbre ed è veloce e competente. Progettato per saltare gli ostacoli e farsi strada in ambienti difficili a velocità fino a 3 metri al secondo, o 6,7 miglia all'ora, Cheetah III può andare quasi ovunque un essere umano può andare, con una supervisione minima, afferma Kim.

Al momento, ha bisogno di protezione dai paparazzi, se non altro. Sebbene manchino di caratteristiche come pelliccia e orecchie, i robot Cheetah mantengono un carisma da mammifero. Quando uno esce, per trotterellare lungo Massachusetts Avenue o saltare intorno a un campo da calcio del MIT, tende ad attirare una folla. Nel video di Kim's Ice Bucket Challenge del 2014, un precedente modello di ghepardo ruba la scena dando un calcio al secchio. I membri del laboratorio hanno tappezzato le finestre del 5-017 in modo da poter portare a termine il lavoro.

Kim, professore associato di ingegneria meccanica, trae le sue idee dalla natura. La biologia ci guida verso ciò che può essere possibile, dice. Lo ha aiutato a creare macchine che si muovono come insetti, lucertole e gatti, per non parlare di accumulare centinaia di migliaia di visualizzazioni su YouTube. Ma non vuole fermarsi qui. L'ultima ricerca di Kim prende spunto da un animale particolarmente stimolante: l'essere umano.

Reinventare la gamba
Nel laboratorio di robotica biomimetica nel seminterrato dell'edificio 5, il ghepardo III è circondato da macchine più familiari. Il laboratorio di Kim funge anche da piccolo impianto di produzione, con stampanti 3D, una taglierina laser, un trapano e una fresatrice CNC. Mentre la maggior parte dei laboratori di robotica utilizza parti prefabbricate, Kim preferisce un approccio fai-da-te. Fondamentalmente costruiamo tutto ciò che abbiamo, dice.

Questo è prudente quando stai realizzando e testando una nuova specie meccanica: nel corso di una dura giornata di esercizio, il ghepardo era solito passare attraverso un intero set di cuscinetti in poliuretano. (Ora ne ha invece di in gomma.) Ma, cosa ancora più importante, l'approccio fai-da-te consente al team di ricominciare da zero, libero dai presupposti incorporati nell'hardware standard. Il modo in cui si muove è davvero diverso dalla maggior parte dei robot, perché in realtà abbiamo progettato il nostro sistema da soli, afferma Kim.

La maggior parte dei colleghi di Cheetah sono ottimizzati per le fabbriche. Stanno producendo robot, fatti per svolgere la stessa serie di compiti più e più volte, sia che si tratti di imballare un pallet o di avvitare un bullone. Sono molto più veloci, più precisi e più coerenti degli umani, afferma Kim. Ma in realtà non interagiscono con il loro ambiente o oggetti come facciamo noi.

Per dimostrare, Kim compie una classica azione umana: afferrare il suo laptop dal tavolo. È goffo da cartone animato al riguardo - i suoi avambracci sbattono contro la superficie del tavolo e le sue mani colpiscono i lati dello schermo - ma sia l'uomo che il laptop rimangono illesi. Quindi lo rimette giù e imita il modo in cui un robot di fabbrica si avvicinerebbe allo stesso compito. Questa volta, fa scorrere le mani con grande concentrazione, decelerando mentre avanza. Quando raggiunge effettivamente l'oggetto, si muove a malapena.

La tua camminata è un milione di volte più sorprendente dei jet da combattimento che volano.

Un essere umano può afferrare le cose in un secondo o meno, dice. Ma un robot? Deve essere lento, perché non può scontrarsi. La stessa rigidità che rende coerente un robot di fabbrica gli impedisce di assorbire in sicurezza l'energia prodotta da un impatto. Invece, quell'energia finisce per romperla, o qualunque cosa con cui stia cercando di interagire. Questa limitazione è paralizzante per le macchine che vogliono, per esempio, camminare: dopo tutto, ogni passo è una collisione, dice Kim. (Anche i veicoli hanno problemi a far fronte al suolo. Come fa notare Kim, gli aeroplani e le barche hanno la corsa dell'aria e del mare, ma abbiamo dovuto spianare la strada al trasporto terrestre con strade e binari.)

Il primo prototipo di ghepardo di Sangbae Kim aveva una testa, una spina dorsale e una coda. L'ultimo corre come un ghepardo ma non sembra più un animale, dice.

Quando le persone cercano di creare robot che camminano e corrono, spesso iniziano con gli stessi elementi di quelli dei robot industriali. Ad esempio, quando è il momento di scegliere un attuatore, la parte di una macchina che trasforma una fonte di energia in movimento, ne sceglierà uno idraulico: forte e preciso, ma molto rigido e incapace di assorbire gli urti. Metteranno l'attuatore all'anca del robot e un sensore di forza ai piedi. Quando il robot cammina, il sensore di forza rileva la forza con cui sta colpendo il suolo e comunica all'attuatore, che si regola di conseguenza.

In generale, però, questa strategia non funziona molto bene. Senti la forza qui [ai piedi], ma il tuo attuatore è lontano e troppo lento, spiega Kim. C'è un po' di massa e di dinamica nel mezzo... diventa instabile. (Gli piace portare a casa questo punto con un supercut della DARPA Robotics Challenge 2015, in cui una serie di robot bipedi costosi e dall'aspetto impressionante si rovesciano come Terminator tranquillizzati.)

Così Kim ha deciso di ricominciare, progettando un nuovo tipo di attuatore con priorità diverse. Il suo attuatore è snello e cattivo: ha una coppia elevata, quindi può generare molta forza di rotazione, ma è alimentato da un motore elettrico leggero con un'inerzia rotazionale minima, che gli consente di cambiare rapidamente la velocità di rotazione. Il resto della gamba del ghepardo è progettato per essere il più leggero e con il minor attrito possibile, dice.

Poiché la gamba è magra e leggera, la forza prodotta dall'attuatore cambia appena quando arriva al piede, rendendo superfluo un sensore di forza. Questo dà al ghepardo riflessi più veloci: può cambiare la quantità di forza che esercita circa 50 volte più rapidamente rispetto ai robot che utilizzano sia attuatori che sensori di forza.

Un robot più goffo ha bisogno di un intero ciclo di dati per entrare in funzione prima di poter capire con quanta forza il suo piede ha appena colpito il marciapiede e cosa dovrebbe fare dopo. Ma quando il ghepardo atterra dopo aver saltato un ostacolo, i piedi controllano le forze necessarie per bilanciarsi e riprendersi subito dopo la collisione con il suolo, dice Kim. (Il design può anche assorbire l'energia molto più prontamente: quando il piede colpisce il suolo, la forza d'impatto viaggia indietro lungo la gamba e nell'attuatore, ricaricando il motore anziché romperlo.)

Invece di percepire la forza, il ghepardo si concentra sul capire dove si trova nello spazio. I sensori di posizione delle articolazioni, gli accelerometri e i giroscopi alimentano costantemente i dati in una serie di algoritmi, che lavorano per determinare quando e quanto è probabile che ciascuna gamba colpisca il suolo in seguito. Quando il piede del ghepardo calpesta qualcosa di inaspettato, ad esempio una roccia che fa inclinare il suo corpo, questa informazione aiuta il robot a decidere se continuare il suo passo o ritirarsi. Se si impegna in un passaggio, un altro algoritmo si attiva per prevedere quanta forza applicare per superare l'oggetto o quale forza di compensazione è necessaria per regolare il suo equilibrio se viene spinto.

Questa serie di priorità ha consentito al ghepardo di fare cose che la maggior parte degli altri robot non possono, come il trotto e il salto. È anche estremamente efficiente: usa l'energia solo in modo leggermente meno giudizioso di un vero ghepardo, mettendolo davanti ad altri robot. Può anche manovrare nel suo ambiente senza telecamere. In uno dei momenti salienti, un ghepardo cieco corre su una macchia di ghiaia, sale una rampa di scale e si raddrizza ripetutamente mentre un membro del laboratorio lo pungola con un bastone. Kim chiama il suo approccio attuazione propriocettiva, dal sesto senso che dà agli esseri umani la consapevolezza della posizione del nostro corpo nello spazio.

Raggiungere tale stabilità richiede il sacrificio di una certa precisione: abbiamo costantemente un errore del 10% o del 15% [di controllo della forza], afferma Kim. Anche se ciò potrebbe insoddisfare alcuni ingegneri, il Cheetah è così leggero e assorbe l'energia che generalmente può tollerare il tasso di errore, anche con forti impatti dovuti alla corsa e al salto.

Tradurre il comportamento delle creature viventi in termini meccanici richiede una mentalità multistrato. Tutti nella robotica sono molto concentrati sulla propria piccola area: ci sono molti gruppi di software che pensano che tutto possa essere risolto con il codice o gruppi di hardware con l'hardware, afferma João Ramos, PhD '18, uno dei dottorandi del laboratorio. Sangbae ha una vista integrata. Se vuoi risolvere il problema, devi pensarci a livello di concept, hardware e software.

Questo cambio di paradigma è stato possibile perché sono un ingegnere meccanico, concorda Kim. Penso alla dinamica dei corpi rigidi invece che [solo] alla scrittura di software. Diverse aziende, tra cui Boston Dynamics, ora utilizzano il design del suo attuatore anche in parti dei loro robot.

Salendo
Kim ha preso l'abitudine di cercare nuovi modi di fare le cose mentre cresceva a Seoul, in Corea del Sud, vivendo in un piccolo spazio senza molte risorse o un laboratorio. Ho costruito molte cose, dice. Ho trovato ogni modo possibile per creare i miei strumenti. Ha smontato gli elettrodomestici per vedere se poteva rimetterli insieme. Quando i suoi amici correvano in giro con le loro auto radiocomandate, si metteva a pancia in su e ci armeggiava.

Da studente alla Yonsei University di Seoul, ha progettato quello che allora era lo scanner 3-D meno costoso del mondo. (Ha anche servito il suo periodo obbligatorio nell'esercito sudcoreano, un'esperienza che secondo lui ha intensificato la sua avversione per la burocrazia.) Si è unito a una startup che stava commercializzando lo scanner ma, subito dopo aver sviluppato il primo prototipo, si è reso conto che preferiva inventare alla messa a punto e ha deciso di tornare al mondo accademico.

Quando è arrivato a Stanford per la scuola di specializzazione nel 2002, voleva continuare a lavorare nella progettazione hardware, ma si è reso conto che molte attività che un tempo richiedevano di armeggiare con le parti mobili ora venivano eseguite sui computer. Cosa non può essere sostituito dall'elettronica? lui dice. Se devi lavorare su qualcosa che interagisce fisicamente con l'ambiente, non può essere sostituito da un pezzo di codice o da un chip... Ecco perché sono entrato nel mondo della robotica.

Kim è entrata a far parte del laboratorio di biomimetica e manipolazione abile di Mark Cutkosky a Stanford. Ero affascinato da come si muovono gli animali, dice. Ero concentrato sul principio 'Oh, questo è qualcosa negli animali, riproduciamolo'. Ha lavorato su una macchina da arrampicata simile a un ragno e su uno sciame di robot ispirati agli scarafaggi che potevano correre da soli. Successivamente, come post-dottorato ad Harvard, costruì un lombrico robotico autonomo. (Si muove comprimendo i suoi segmenti in risposta a una corrente elettrica ed è abbastanza morbido da sopravvivere ad essere calpestato.)

Ma la sua prima grande svolta è stata Stickybot, un robot in grado di scalare i muri come un geco. Come le gambe del ghepardo, i piedi del geco realizzano due cose difficili contemporaneamente: possono aderire a un muro con grande forza, ma possono anche staccarsi da esso con grande velocità. Se pensi di costruire una muta da arrampicata, se hai le mani davvero appiccicose, puoi arrampicarti sul muro, ma se le tue mani sono così appiccicose, non puoi spento il muro, dice Kim. Ma i gechi stanno correndo.

Mini Cheetah, un Cheetah più piccolo, più sicuro e più agile, è per la ricerca e l'istruzione. I dati vengono raccolti tramite il relativo tether e gli algoritmi di controllo possono essere modificati allo stesso modo.

Nel 2006, Kellar Autumn, biologo del Lewis & Clark College, ha pubblicato un articolo che descrive esattamente come lo gestiscono i gechi. La chiave è nei minuscoli peli sui loro piedi, che sono strutturati per attaccarsi solo quando vengono tirati in una direzione. Kim ha usato il principio per creare lo Stickybot e un adesivo che chiama gecko tape. Probabilmente è ancora il mio progetto preferito in termini di scienza, dice. Abbiamo sviluppato un nuovo materiale, un nuovo concetto che non esisteva prima di comprendere il geco.

Nel 2009, Kim è entrato a far parte della facoltà del MIT e per anni si è incontrato spesso con Rodney Brooks a Starbucks per scambiare idee. (Brooks, l'ex direttore di CSAIL, era andato a fondare Rethink Robotics nel 2008.) Pensa in modo ampio, dice Brooks, e prova cose che potrebbero spaventare altre persone. Brooks ricorda che in una conferenza Amazon del 2017, Kim ha deciso di capire come impartire comandi vocali al ghepardo usando Amazon Echo. Quando la sua demo è arrivata la mattina successiva, è stato in grado di parlare con il suo robot per la prima volta, dice. È stata una mossa coraggiosa.

Kim ha ottenuto un incarico nel 2016 e ogni due anni insegna 2.74 (Bio-Inspired Robotics), per il quale gli studenti hanno realizzato robot che oscillano come una scimmia o saltano come un canguro. Insegna anche 2.007 (Design and Manufacturing). La leggendaria lezione di progettazione robotica culmina in una competizione a tema che attira sempre una folla, e Kim e il suo co-istruttore, Amos Winter, SM '05, PhD '11, si travestono con i costumi per presentarlo. L'anno scorso, Kim ha interpretato Willy Wonka. Molte delle conferenze di alto livello che ha tenuto riguardavano come trarre ispirazione dalla natura, ricorda Selam Gano '18, che ha frequentato la sua lezione di biomimetica nel 2017. Dirà cose come 'Quando lasci questa lezione voglio che tu fissa la tua mano e pensa, Wow, è incredibile!'... Infetta davvero tutti con quanto sia eccitato.

Spingerlo al limite
A volte non sai quanto sia incredibile qualcosa finché non smette di funzionare. Ad esempio, circa 15 anni fa, Kim si è rotto il tendine d'Achille. Lo ha gettato in un loop: certo, stava giocando a basket in quel momento, ma non stava facendo niente di speciale. Stavo solo camminando, dice. Era strano. Il suo medico gli ha dato sei mesi di riposo sul divano.

Kim, che da allora è passato al tennis, non è un fan del riposo sul divano. Tuttavia, ha trovato l'esperienza illuminante. I tuoi muscoli sono abbastanza forti da strappare tendini e lussare le articolazioni tutto il tempo, dice. Il nostro sistema nervoso regola sempre con attenzione la quantità di forza che devi generare. In qualche modo il suo corpo lo aveva aggirato e aveva superato i propri limiti. Ma la maggior parte delle volte ci proteggiamo. A differenza di quei goffi robot DARPA Challenge, riusciamo ad avere sia potenza che controllo.

Ero concentrato sul principio 'Oh, questo è qualcosa negli animali, riproduciamolo'.

Inoltre, come i gechi che scalano un muro, lo facciamo senza nemmeno pensarci. La tua camminata è un milione di volte più sorprendente dei jet da combattimento che volano, dice Kim, snocciolando un elenco delle nostre abilità subconscie. Possiamo aprire le porte senza perdere l'equilibrio. Possiamo correre per strada mentre siamo distratti. Possiamo fare colazione mentre conduciamo una conversazione, e non stiamo pensando 'Oh, sto spostando questo piccolo pezzo di patata sul lato sinistro dei denti in modo che i denti possano schiacciarlo in un pezzo di dimensioni ragionevoli, ' lui dice. Diamo troppe cose per scontate!

Potremmo non aver mai bisogno di un robot che mastica. Ma se ne vogliamo uno che sia bravo a rimanere in piedi, potrebbe aiutare ad attingere alle nostre capacità, come fa un altro dei progetti di Kim. HERMES (che sta per meccanismi robotici altamente efficienti e sistema elettromeccanico) è un robot bipede che utilizza gli stessi attuatori unici del ghepardo. Ma invece di funzionare completamente da solo, è controllato da un essere umano, utilizzando quella che Kim chiama un'interfaccia di feedback del bilanciamento.

Per controllare HERMES, un operatore umano indossa uno speciale giubbotto rilevatore di movimento e si trova su una piattaforma con sensori di forza incorporati. Tracciando e trasferendo i dati di movimento in entrambe le direzioni tramite cavi, giubbotto e piattaforma creano una connessione esperienziale tra uomo e robot. Supponiamo che HERMES apra una porta pesante. L'operatore umano fa un movimento di spinta e il robot segue l'esempio. Quando HERMES colpisce la porta, l'umano sente l'impatto e regola il suo equilibrio di conseguenza. HERMES effettua le stesse regolazioni ed evita di cadere. Gli algoritmi modificano le forze rilevanti in modo che un essere umano che indossa il giubbotto possa controllare un robot più piccolo o a quattro zampe.

In questo modo, il sistema consente sia all'uomo che al bot di portare i propri punti di forza nella situazione riducendo al minimo i propri punti deboli. Gli esseri umani sono intelligenti e bravi a bilanciare e manipolare finemente, ma siamo piuttosto fragili. I robot sono forti e resistenti, ma hanno bisogno di molta direzione. Kim vuole combinare questa tecnologia con il ghepardo, sostituendo una delle sue gambe con un braccio robotico propriocettivo su cui sta lavorando. Il braccio unisce l'uomo alla macchina su una scala più delicata, permettendo all'operatore di sentire cosa sta succedendo quando il robot afferra una fune o ruota una maniglia.

Immagina un primo soccorritore che usa questi strumenti per esplorare un'area pericolosa. Hai degli occhiali [VR] e forse un comando vocale: 'Cheetah, vai nella stanza 507', dice. Il ghepardo si fa rapidamente strada lì, muovendosi in modo efficiente ed evitando detriti. Trova il suo obiettivo: Oh, c'è una perdita di gas e devi chiudere questa valvola. Il robot può quindi stare su tre gambe mentre l'umano manipola la quarta gamba, che funge anche da braccio robotico, per regolare la valvola.

Questa è la mia grande visione: mobilità a livello umano, per lo più autonoma, con la manipolazione per lo più effettuata dagli esseri umani, dice Kim. Questi tre componenti alla fine ci permetteranno di farlo. Quando possono, aggiunge, si apriranno più possibilità. Kim può immaginare i suoi robot nelle case degli anziani, attivati ​​a distanza quando necessario da una persona in una sala di controllo: potrebbero fornire sia aiuto che privacy a persone che hanno bisogno di assistenza ma vogliono comunque vivere da sole.

O forse i suoi robot ghepardo finiranno per svolgere pericolosi lavori manuali, guidati da lavoratori qualificati nascosti in luoghi sicuri nelle vicinanze. Prevede che in due o tre anni Cheetah III sarà in grado di navigare in una centrale elettrica piena di radiazioni; tra un decennio, il suo successore dovrebbe essere in grado di svolgere lavori fisicamente più impegnativi, come la manipolazione dei detriti. E in 15-20 anni, pensa, potrebbe entrare in un edificio in fiamme e salvare le persone.

Ma Kim ha smesso di concentrarsi sulla copia di altre creature a titolo definitivo. Quando ho immaginato per la prima volta il mio robot correre, galoppare come un ghepardo, ho sempre pensato a questo bel corpo che si piega, dice. Si rese presto conto, tuttavia, che una spina dorsale flessibile non avrebbe reso il suo robot migliore nel suo eventuale lavoro. Lo stesso vale per altri dettagli: all'inizio, guardavo la forma di ogni osso, le traiettorie e così via, dice. Guardo ancora molti studi di biologia per capire davvero cosa sta succedendo. Ma li tratta più come ispirazione che come libretti di istruzioni: ora sono tipo, 'Ok, quattro gambe vanno bene.'

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