211service.com
Síly přírody

Nejznámější výtvor Sangbae Kima, zavěšený na běžícím pásu uprostřed laboratoře Biomimetic Robotics Lab, čeká na svůj další testovací provoz. Cheetah III je svazek kloubů, obvodů a elektromotorů. Stejně jako zvíře, které sdílí jeho jméno, čtyřnohý bot váží asi 90 liber a je rychlý a schopný. Cheetah III, navržený tak, aby skákal přes překážky a razil si cestu přes obtížná prostředí rychlostí až 3 metry za sekundu nebo 6,7 mil za hodinu, může jít téměř kamkoli, kam se člověk dostane, s minimálním dohledem, říká Kim.
V tuto chvíli potřebuje ochranu před paparazzi, když už nic jiného. Ačkoli jim chybí rysy jako srst a uši, udržují si gepardí charisma savce. Když člověk vyjde ven – klusat po Massachusetts Avenue nebo skákat kolem fotbalového hřiště MIT – má tendenci přitahovat dav. Ve videu Kim’s Ice Bucket Challenge z roku 2014 starší model Cheetah krade show kopnutím přes kbelík. Členové laboratoře přelepili okna 5-017, aby mohli pracovat.
Kim, docent strojního inženýrství, získává nápady z přírody. Biologie nás vede k tomu, co je možné, říká. Pomohlo mu to vyrobit stroje, které se pohybují jako hmyz, ještěrky a kočky, nemluvě o tom, že nasbíraly stovky tisíc zhlédnutí na YouTube. Ale nechce se tam zastavit. Kimův nejnovější výzkum vychází z obzvláště inspirativního zvířete: člověka.
Znovuobjevení nohy
V laboratoři Biomimetic Robotics Lab v suterénu budovy 5 je Cheetah III obklopen známějšími stroji. Kimova laboratoř funguje jako malé výrobní zařízení s 3D tiskárnami, laserovou řezačkou, vrtačkou a CNC frézkou. Zatímco většina robotických laboratoří používá prefabrikované díly, Kim preferuje DIY přístup. V podstatě stavíme vše, co máme, říká.
To je prozíravé, když vyrábíte a testujete nový mechanický druh: v průběhu náročného dne cvičení procházel gepard celou sadou polyuretanových polštářků na tlapky. (Nyní má místo toho gumové.) Ale co je důležitější, přístup DIY umožňuje týmu začít od nuly, neomezený předpoklady zabudovanými do standardního hardwaru. Jak se pohybuje, je opravdu odlišné od většiny robotů, protože jsme náš systém ve skutečnosti navrhli sami, říká Kim.
Většina vrstevníků gepardů je optimalizována pro továrny. Vyrábějí roboty, vyrobené k tomu, aby stále dokola prováděly stejnou sadu úkolů, ať už jde o balení palety nebo zašroubování šroubu. Jsou mnohem rychlejší, přesnější a konzistentnější než lidé, říká Kim. Ale ve skutečnosti neinteragují se svým prostředím nebo předměty jako my.
Kim předvede klasickou lidskou akci: popadne svůj laptop ze stolu. Je v tom až kresleně nemotorný – jeho předloktí naráží do povrchu stolu a jeho ruce narážejí do stran obrazovky – ale člověk i notebook zůstávají nezraněné. Pak ho odloží a napodobí, jak by ke stejnému úkolu přistoupil tovární robot. Tentokrát klouže rukama s velkou koncentrací a za pochodu zpomaluje. V době, kdy skutečně dosáhne předmětu, se sotva pohybuje.
Vaše chůze je milionkrát úžasnější než létání proudových stíhaček.
Člověk může popadnout věci během vteřiny nebo méně, říká. Ale robot? Musí to být pomalé, protože se nemůže srazit. Stejná tuhost, díky které je tovární robot konzistentní, mu brání bezpečně absorbovat energii produkovanou nárazem. Místo toho tato energie skončí tak, že ji rozbije nebo cokoli, s čím se snaží interagovat. Toto omezení je ochromující pro stroje, které chtějí, řekněme, chodit: koneckonců každý krok je kolize, říká Kim. (Vozidla mají také problémy vyrovnat se se zemí. Jak zdůrazňuje Kim, letadla a lodě mají vzdušnou i námořní dopravu, ale pozemní dopravu jsme museli usnadnit silnicemi a železničními kolejemi.)

První prototyp geparda Sangbae Kima měl hlavu, páteř a ocas. Nejnovější běhá jako gepard, ale už nevypadá jako zvíře, říká.
Když se lidé snaží vyrobit roboty, kteří chodí a běží, často začínají se stejnými prvky jako v průmyslových robotech. Když je například čas vybrat si akční člen – část stroje, která přeměňuje zdroj energie na pohyb – půjdou s hydraulickým: silným a přesným, ale velmi tuhým a neschopným absorbovat otřesy. Umístí ovladač na bok robota a snímač síly na nohu. Když robot chodí, snímač síly zjistí, jak silně dopadá na zem, a informuje o tom akční člen, který se podle toho přizpůsobí.
Obecně však tato strategie příliš nefunguje. Cítíte sílu zde [na noze], ale váš ovladač je daleko a příliš pomalý, vysvětluje Kim. Mezi tím je docela dost hmoty a dynamiky… je to nestabilní. (Tenhle bod rád oživuje superstřihem z DARPA Robotics Challenge z roku 2015, ve kterém se řada drahých, působivě vyhlížejících dvounohých robotů převrhne jako uklidnění Terminátoři.)
Kim se tedy rozhodla začít znovu a navrhla nový typ pohonu s jinými prioritami. Jeho aktuátor je chudý a střední – má vysoký točivý moment, takže může generovat velkou rotační sílu, ale je poháněn lehkým elektromotorem s minimální rotační setrvačností, což mu umožňuje rychle měnit rychlost otáčení. Zbytek nohy geparda je navržen tak, aby byl co nejlehčí a s co nejnižším třením, říká.
Protože je noha hubená a lehká, síla produkovaná ovladačem se sotva změní, než se dostane na nohu, takže senzor síly není potřeba. To dává gepardu rychlejší reflexy: dokáže změnit množství síly, kterou vyvíjí, asi 50krát rychleji než roboti, kteří používají jak ovladače, tak senzory síly.
Nemotornější robot potřebuje celou datovou smyčku, aby se mohl spustit, než přijde na to, jak silně jeho noha narazila na chodník a co by měl udělat dál. Ale když Gepard přistane při skoku přes překážku, nohy ovládají potřebné síly k rovnováze a zotavení okamžitě po srážce se zemí, říká Kim. (Design může také mnohem snadněji absorbovat energii – když noha dopadne na zem, síla nárazu se přesune zpět po noze a do aktuátoru, čímž motor dobíjí, místo aby jej zlomila.)
Namísto snímání síly se Gepard zaměřuje na zjišťování, kde se ve vesmíru nachází. Snímače polohy kloubů, akcelerometry a gyroskopy neustále dodávají data do sady algoritmů, které pracují na určení, kdy a jak silně každá noha pravděpodobně příště dopadne na zem. Když gepardí noha šlápne na něco neočekávaného – řekněme na kámen, který způsobí naklonění jeho těla – tato informace pomůže robotovi rozhodnout se, zda pokračovat v kroku, nebo se stáhnout. Pokud se odhodlá ke kroku, spustí se jiný algoritmus, aby předpověděl, jakou silou je třeba vyvinout, aby se dostal přes objekt – nebo jaká kompenzační síla je potřeba k úpravě jeho rovnováhy, pokud se do něj strká.
Tato sada priorit umožnila Gepardu dělat věci, které většina ostatních robotů neumí, jako je klus a skok. Je také extrémně efektivní – využívá energii jen o něco méně uvážlivě než skutečný gepard, což ho staví o ligy před ostatní roboty. Může dokonce manévrovat kolem svého prostředí bez kamer. V jedné hlavní roli slepý Gepard běží po štěrkové ploše, šplhá po schodech a opakovaně se vzpamatovává, když do něj člen laboratoře šťouchá klackem. Kim svůj přístup nazývá proprioceptivní aktivací, podle šestého smyslu, který dává lidem povědomí o poloze našich těl v prostoru.
Dosažení takové stability vyžaduje obětovat určitou přesnost – neustále máme 10% nebo 15% chybu [kontroly síly], říká Kim. I když to může některé inženýry neuspokojit, Cheetah je tak lehký a absorbující energii, že obecně toleruje chybovost, dokonce i při silných nárazech při běhu a skákání.
Převedení chování živých tvorů do mechanických termínů vyžaduje mnohovrstevné nastavení mysli. Každý v robotice se velmi zaměřuje na svou vlastní malou oblast – existuje mnoho softwarových skupin, které si myslí, že vše lze vyřešit pomocí kódu, nebo hardwarové skupiny s hardwarem, říká João Ramos, PhD ’18, jeden z postdoků v laboratoři. Sangbae má integrovaný pohled. Pokud chcete problém vyřešit, musíte o něm přemýšlet na úrovni konceptu, hardwaru a softwaru.
Tato změna paradigmatu byla možná, protože jsem strojní inženýr, souhlasí Kim. Přemýšlím o dynamice tuhých těles namísto [pouze] psaní softwaru. Několik společností, včetně Boston Dynamics, nyní také používá jeho návrh ovladače v částech svých robotů.
Lezení nahoru
Kim si zvyknul hledat nové způsoby, jak dělat věci, když vyrůstal v Soulu v Jižní Koreji a žil na malém prostoru bez mnoha zdrojů – nebo dílny. Postavil jsem spoustu věcí, říká. Našel jsem všechny možné způsoby, jak vytvořit vlastní nástroje. Rozebral domácí spotřebiče, aby zjistil, jestli je dokáže poskládat. Když se jeho přátelé proháněli se svými rádiem řízenými auty kolem, dal si břicho nahoru a pohrával si s ním.
Jako student na Yonsei University v Soulu navrhl tehdy nejlevnější 3D skener na světě. (Také si odseděl v jihokorejské armádě, tato zkušenost, jak říká, umocnila jeho nechuť k byrokracii.) Připojil se ke startupu, který komercializoval skener, ale brzy po vývoji prvního prototypu si uvědomil, že dává přednost vynalézání před dolaďováním. a rozhodl se vrátit na akademickou půdu.
Když se v roce 2002 dostal na postgraduální školu do Stanfordu, chtěl se nadále věnovat navrhování hardwaru, ale uvědomil si, že mnoho úkolů, které dříve vyžadovaly práci s pohyblivými součástmi, se nyní odehrává na počítačích. Co nelze nahradit elektronikou? on říká. Pokud musíte pracovat na něčem, co fyzicky interaguje s okolím, nelze to nahradit kouskem kódu nebo čipem… Proto jsem vstoupil do světa robotiky.
Kim se připojil k Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory Marka Cutkoskyho ve Stanfordu. Fascinovalo mě, jak se zvířata pohybují, říká. Soustředil jsem se na zásadu ‚Ach, to je něco u zvířat – pojďme to zopakovat.‘ Pracoval na šplhacím stroji podobném pavoukovi a na hejnu robotů inspirovaných šváby, kteří uměli běžet sami. Později jako postdoktor na Harvardu postavil autonomní robotickou žížalu. (Pohybuje se mačkáním svých segmentů v reakci na elektrický proud a je dostatečně měkký, aby přežil, když na něj někdo šlápne.)
Jeho prvním velkým průlomem byl ale Stickybot, robot, který dokáže šplhat po zdech jako gekon. Stejně jako nohy geparda, i nohy gekona dokážou dvě obtížné věci najednou: dokážou se velkou silou přichytit ke zdi, ale také se od ní mohou velkou rychlostí odlepit. Pokud přemýšlíte o tom, že byste si postavili horolezecký oblek – pokud máte opravdu lepkavé ruce, můžete vylézt na zeď, ale pokud jsou vaše ruce tak lepkavé, nemůžete vypnuto zeď, říká Kim. Ale gekoni přibíhají.


Mini Gepard, menší, bezpečnější a obratnější Gepard, je určen pro výzkum a vzdělávání. Data jsou shromažďována prostřednictvím jeho sítě a stejným způsobem lze měnit i řídicí algoritmy.
V roce 2006 Kellar Autumn, biolog z Lewis & Clark College, publikoval dokument podrobně popisující, jak to gekoni zvládají. Klíčem jsou drobné chloupky na jejich chodidlech, které jsou strukturované tak, aby držely pouze při tahu jedním směrem. Kim použil princip k vytvoření Stickybota a lepidla, které nazývá gecko tape. Je to pravděpodobně stále můj oblíbený projekt z hlediska vědy, říká. Vyvinuli jsme nový materiál – nový koncept, který neexistoval, než jsme pochopili gecko.
V roce 2009 se Kim připojil k fakultě MIT a po léta se často scházel s Rodney Brooksem ve Starbucks, aby přehazoval nápady. (Brooks, bývalý ředitel CSAIL, odešel založit Rethink Robotics v roce 2008.) Brooks říká, že uvažuje široce – a zkouší věci, které by mohly ostatní lidi vyděsit. Brooks vzpomíná, že na Amazonské konferenci v roce 2017 se Kim rozhodla přijít na to, jak dávat Gepardovi řečové příkazy pomocí Amazon Echo. Když příští ráno přišlo jeho demo, byl schopen poprvé mluvit se svým robotem, říká. To byl odvážný krok.
Kim získal funkční období v roce 2016 a každý druhý rok vyučuje 2,74 (Bio-Inspired Robotics), pro kterou studenti vyrobili roboty, kteří se houpou jako opice nebo skáčou jako klokan. Spoluvyučuje také 2.007 (Design and Manufacturing). Legendární hodina designu robotiky vyvrcholí tematickou soutěží, která vždy přitáhne dav, a Kim a jeho spoluučitel, Amos Winter, SM '05, PhD '11, se oblékají do kostýmů, aby ji převzali. Minulý rok Kim hrála Willyho Wonku. Mnoho přednášek na vysoké úrovni, které měl, bylo o tom, jak čerpat inspiraci z přírody, vzpomíná Selam Gano '18, který v roce 2017 absolvoval kurz biomimetiky. Řekne věci jako: „Až odejdete z této třídy, chci, abyste zírejte na svou ruku a řekněte: Wow, to je neuvěřitelné!'... Opravdu každého nakazí tím, jak je vzrušený.
Posuňte to na hranici možností
Někdy nevíte, jak neuvěřitelné něco skutečně je, dokud to nepřestane fungovat. Například asi před 15 lety si Kim přetrhl Achillovu šlachu. Vyhodilo ho to ze smyčky: jistě, v té době hrál basketbal, ale nedělal nic fantastického. Jen jsem šel, říká. Bylo to divné. Jeho lékař mu nařídil šestiměsíční klid na gauči.
Kim, která od té doby přešla na tenis, není fanouškem odpočinku na gauči. Přesto považoval tuto zkušenost za poučnou. Vaše svaly jsou dost silné na to, aby vám neustále trhaly šlachy a vykloubily klouby, říká. Náš nervový systém vždy pečlivě upravuje množství síly, kterou potřebujete vyvinout. Jeho tělo to nějak obešlo a on překročil své vlastní limity. Ale většinou se chráníme sami. Na rozdíl od těch nemotorných robotů DARPA Challenge se nám daří mít sílu i kontrolu.
Soustředil jsem se na zásadu ‚Ach, to je něco u zvířat – pojďme to zopakovat‘.
A co víc, jako když gekoni šplhají po zdi, děláme to, aniž bychom o tom přemýšleli. Vaše chůze je milionkrát úžasnější než létání proudových stíhaček, říká Kim a láme si seznam našich podvědomých dovedností. Můžeme otevřít dveře, aniž bychom ztratili rovnováhu. Můžeme běhat po ulici, když jsme nepozorní. Můžeme snídat, zatímco vedeme konverzaci, a nemyslíme si: 'Ach, přesouvám tuto hroudu brambor zpět na levou stranu zubů, aby ji zuby mohly rozdrtit na přiměřeně velký kousek. ' on říká. Příliš mnoho věcí bereme jako samozřejmost!
Možná nikdy nebudeme potřebovat robota, který žvýká. Ale pokud chceme takovou, která je skvělá ve vzpřímené poloze, mohlo by nám pomoci využít naše vlastní schopnosti – jako to dělá další z Kimových projektů. HERMES (což je zkratka pro vysoce účinné robotické mechanismy a elektromechanický systém) je dvounohý robot, který používá stejné jedinečné akční členy jako Gepard. Ale místo toho, aby fungoval zcela sám, je ovládán člověkem pomocí toho, co Kim nazývá rozhraním se zpětnou vazbou.
Pro ovládání HERMES má lidský operátor na sobě speciální vestu s detektorem pohybu a stojí na plošině se zabudovanými senzory síly. Sledováním a přenosem pohybových dat v obou směrech prostřednictvím drátů vytváří vesta a platforma zážitkové spojení mezi člověkem a robotem. Řekněme, že HERMES má otevřít těžké dveře. Lidský operátor provede tlačný pohyb a robot jej následuje. Když HERMES narazí na dveře, člověk ucítí náraz a podle toho upraví svou rovnováhu. HERMES provádí stejné úpravy a vyhýbá se pádu. Algoritmy upravují příslušné síly tak, aby člověk ve vestě mohl ovládat menšího robota nebo čtyřnohého.
Tímto způsobem systém umožňuje jak člověku, tak robotovi, aby do situace vnesl své silné stránky a zároveň minimalizoval své slabé stránky. Lidé jsou chytří a dobří ve vyvažování a jemné manipulaci, ale my jsme dost křehcí. Roboti jsou silní a houževnatí, ale potřebují hodně vedení. Kim chce zkombinovat tuto technologii s Gepardem a nahradit jednu z jeho nohou proprioceptivní robotickou paží, na které pracuje. Rameno spojuje člověka se strojem v jemnějším měřítku, takže operátor cítí, co se děje, když robot uchopí lano nebo otočí klikou dveří.
Představuje si, že záchranář používá tyto nástroje k prozkoumání nebezpečné oblasti. Máte [VR] brýle a možná i hlasový příkaz: ‚Gepardu, jdi do pokoje 507,‘ říká. Gepard si tam rychle razí cestu, pohybuje se efektivně a vyhýbá se troskám. Najde svůj cíl: Oh, došlo k úniku plynu a musíte zavřít tento ventil. Robot pak může stát na třech nohách, zatímco člověk manipuluje se čtvrtou nohou – která také slouží jako robotická paže – k nastavení ventilu.
Toto je moje velká vize: mobilita na lidské úrovni, většinou autonomní, s manipulací většinou prováděnou lidmi, říká Kim. Tyto tři složky nám to nakonec umožní. Když mohou, dodává, otevřou se další možnosti. Kim si dokáže představit své roboty v domovech seniorů, které v případě potřeby na dálku aktivuje osoba v kontrolní místnosti: mohli by poskytnout pomoc i soukromí lidem, kteří potřebují pomoc, ale přesto chtějí žít sami.
Nebo možná jeho gepardí roboti skončí nebezpečnou manuální prací pod vedením kvalifikovaných pracovníků usazených na bezpečných místech poblíž. Předpovídá, že za dva až tři roky bude Cheetah III schopen navigovat v elektrárně naplněné radiací; za dekádu by její nástupce měl zvládat i fyzicky náročnější práce, jako je manipulace s troskami. A za 15 až 20 let by to podle něj mohlo vniknout do hořící budovy a zachránit lidi.
Kim se ale přestala soustředit na přímé kopírování jiných tvorů. Když jsem si poprvé představil svého robota, jak běží a cválá jako gepard, vždycky jsem myslel na to krásné ohýbání těla, říká. Rychle si však uvědomil, že pružná páteř by jeho robota v jeho případné práci nezlepšila. Totéž platí pro další detaily: Na začátku bych se podíval na každý tvar kosti, trajektorie a tak dále, říká. Stále se dívám na spoustu biologických studií, abych skutečně pochopil, co se děje. Ale zachází s nimi spíše jako s inspirací než s instruktážními brožury: Teď si říkám: ‚Dobře, čtyři nohy jsou dobré.‘