Roboty kontra zwierzęta: kto wygra wyścig w środowisku naturalnym?

streszczenie: Naukowcy odkryli, czy nowoczesne roboty mogą przewyższać organizmy biologiczne pod względem szybkości i zwinności. Z badania wynika, że ​​pomimo postępu w inżynierii zwierzęta w środowisku naturalnym nadal przewyższają roboty pod względem wydajności lokomotyw.

Naukowcy odkryli, że integracja komponentów robotycznych nie zapewnia spójnego procesu na poziomie systemu obserwowanego u zwierząt. Ta wizja napędza rozwój bardziej zintegrowanych i elastycznych systemów robotycznych, inspirowanych projektami natury.

Kluczowe fakty:

1. Wydajność robotyczna a efektywność biologiczna: Badanie potwierdza, że ​​poszczególne podsystemy robotyczne, takie jak moc i uruchamianie, mogą dorównywać lub przewyższać swoje biologiczne odpowiedniki, jednak roboty nie działają tak dobrze, jak zwierzęta, gdy te systemy są połączone.
2. Inspirujące modele biologiczne: Badanie podkreśla, że ​​zwierzęta, takie jak pająki wilcze i karaluchy, radzą sobie znakomicie w skomplikowanych terenach i zadaniach dzięki zintegrowanym i wszechstronnym systemom biologicznym.
3. Przyszłe trendy inżynieryjne: Odkrycia zachęcają inżynierów do ponownego przemyślenia konstrukcji robotów i wzywają do bardziej zintegrowanego podejścia, podobnego do systemów biologicznych, w których różne funkcje są łączone w ramach pojedynczych komponentów.

źródło: Uniwersytet Kolorado

Być może pytanie dotyczy XXI-wiecznej wersji opowieści o żółwiu i zającu: kto zwycięży w wyścigu pieszym pomiędzy robotem a zwierzęciem?

W artykule z nowej perspektywy zespół inżynierów ze Stanów Zjednoczonych i Kanady, w tym robotyk Kaushik Jayaram z Uniwersytetu Colorado Boulder, postanowił rozwiązać tę zagadkę.

Grupa przeanalizowała dane z kilkudziesięciu badań i doszła do zdecydowanego „nie”. W niemal wszystkich przypadkach stworzenia biologiczne, takie jak gepardy, karaluchy, a nawet ludzie, wydają się być w stanie przewyższyć swoje automatyczne odpowiedniki.

Naukowcy pod kierownictwem Samuela Bordena z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Maxwella Donnellana z Uniwersytetu Simona Frasera opublikowali swoje odkrycia w zeszłym tygodniu w czasopiśmie. Robotyka naukowa.

„Dla inżyniera jest to trochę denerwujące” – powiedział Jayaram, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Paula M. Rady na Uniwersytecie Colorado Boulder. „W ciągu 200 lat szeroko zakrojonych prac inżynieryjnych udało nam się wysłać statki kosmiczne na Księżyc, Marsa i wiele więcej. Jednak zastanawiające jest, że nie mamy jeszcze robotów, które poruszają się w środowiskach naturalnych znacznie lepiej niż systemy biologiczne”.

Ma nadzieję, że to badanie zainspiruje inżynierów do nauczenia się, jak budować inteligentniejsze i lepiej przystosowujące się roboty. Badacze doszli do wniosku, że niepowodzenie robotów w osiąganiu lepszych wyników niż zwierzęta nie jest spowodowane wadą jakiegokolwiek elementu maszyny, takiego jak akumulatory czy silniki. Zamiast tego inżynierowie mogą mieć trudności z zapewnieniem wydajnej współpracy tych części.

To pogoń jest jedną z głównych pasji Jayarama. Jego laboratorium na kampusie CU Boulder jest domem dla wielu przerażających pełzaczy, w tym kilku futrzanych pająków wilczych wielkości mniej więcej pół dolara.

„Wilcze pająki są urodzonymi myśliwymi” – powiedział Jayaram. „Żyją pod skałami i potrafią biegać po skomplikowanym terenie z niesamowitą prędkością, aby złapać zdobycz”.

Wyobraża sobie świat, w którym inżynierowie budują roboty, które zachowują się bardziej jak te niezwykłe pająki.

„Zwierzęta są w pewnym stopniu ucieleśnieniem tej ostatecznej zasady projektu, systemu, który dobrze ze sobą współpracuje” – powiedział.

Energia karalucha

Pytanie „Kto potrafi biegać lepiej, zwierzęta czy roboty?” To skomplikowane, bo sama operacja jest skomplikowana.

W poprzednich badaniach Jayaram i jego współpracownicy z Uniwersytetu Harvarda zaprojektowali grupę robotów, które starają się naśladować awersyjne zachowanie karaluchów. Opracowany przez zespół model HAMR-Jr mieści się w monecie i porusza się z prędkością porównywalną do prędkości geparda. Jednak, jak zauważył Jayaram, chociaż HAMR-Jr może poruszać się do przodu i do tyłu, nie radzi sobie dobrze na boki ani na nierównym terenie.

Natomiast skromny karaluch nie ma problemu z poruszaniem się po powierzchniach, od porcelany po ziemię i żwir. Potrafią także burzyć ściany i przeciskać się przez małe szczeliny.

Aby zrozumieć, dlaczego ta różnorodność stanowi wyzwanie dla robotyki, autorzy nowego badania podzielili te maszyny na pięć podsystemów obejmujących zasilanie, ramę, uruchamianie, wykrywanie i sterowanie. Ku zaskoczeniu grupy okazało się, że kilka z tych podsystemów nie dorównuje swoim zwierzęcym odpowiednikom.

Na przykład wysokiej jakości akumulatory litowo-jonowe mogą dostarczyć do 10 kilowatów energii na każdy kilogram (2,2 funta). Dla kontrastu, tkanka zwierzęca wytwarza około jednej dziesiątej tej ilości. Tymczasem mięśnie nie są w stanie nawet zbliżyć się do absolutnego momentu obrotowego wielu silników.

„Ale na poziomie systemu roboty nie są dobre” – powiedział Jayaram. „Stoimy w obliczu nieodłącznych kompromisów w projektowaniu, jeśli spróbujemy poprawić jedną rzecz, na przykład prędkość jazdy, możemy stracić coś innego, na przykład zdolność do skręcania.

Pająk ma zmysły

Jak więc inżynierowie mogą budować roboty, które podobnie jak zwierzęta są czymś więcej niż tylko sumą swoich części?

Jayaram zauważył, że zwierzęta nie są podzielone na osobne podsystemy w taki sam sposób, jak roboty. Na przykład mięśnie czworogłowe napędzają nogi, tak jak silniki HAMR-Jr napędzają kończyny. Ale mięśnie czworogłowe wytwarzają również własną siłę, rozkładając tłuszcze i cukry oraz integrując komórki nerwowe, które potrafią wyczuwać ból i ucisk.

Jayaram uważa, że ​​przyszłość robotyki może ograniczać się do „podjednostek funkcjonalnych”, które robią to samo: zamiast oddzielać zasilacze od silników i płytek drukowanych, dlaczego nie zintegrować ich wszystkich w jedną część?

W artykule z 2015 roku informatyk Nicholas Curiel, który nie był zaangażowany w obecne badania, zaproponował takie teoretyczne „materiały robotyczne”, które zachowywałyby się bardziej jak quady.

Inżynierom wciąż daleko do osiągnięcia tego celu. Niektórzy, jak Jayaram, podejmują kroki w tym kierunku, jak na przykład stworzony w jego laboratorium przegubowy robot-owad stawonogów (CLARI), wielonożny robot, który porusza się trochę jak pająk.

Jayaram wyjaśnił, że CLARI opiera się na konstrukcji modułowej, w której każda z nóg działa jak samodzielny robot z własnym silnikiem, czujnikami i obwodami sterującymi. Nowa, ulepszona wersja zespołu, zwana mCLARI, po raz pierwszy w przypadku robotów czworonożnych może poruszać się we wszystkich kierunkach w ciasnych przestrzeniach.

To coś jeszcze, czego inżynierowie tacy jak Jayaram mogą się nauczyć od tych typowych myśliwych, wilczych pająków.

„Natura jest naprawdę pomocnym nauczycielem”.

O nowościach naukowych z zakresu robotyki i neurotechnologii

autor: Daniel Strajk
źródło: Uniwersytet Kolorado
Komunikacja: Daniel Strain – Uniwersytet Kolorado
zdjęcie: Zdjęcie przypisane Neuroscience News

Oryginalne wyszukiwanie: Otwarty dostęp.
„Dlaczego zwierzęta mogą przewyższać roboty?„Przez Kaushika Jayarama i in. Robotyka naukowa

podsumowanie

Dlaczego zwierzęta mogą przewyższać roboty?

Zwierzęta znacznie lepiej biegają niż roboty. Różnica w wydajności wynika z ważnych wymiarów: zwinności, zasięgu i trwałości.

Aby zrozumieć przyczyny tej luki w wydajności, porównujemy technologie naturalne i sztuczne w pięciu kluczowych podsystemach operacyjnych: moc, rama, uruchamianie, wykrywanie i sterowanie.

Z nielicznymi wyjątkami technologie inżynieryjne dorównują lub przewyższają wydajność swoich biologicznych odpowiedników.

Doszliśmy do wniosku, że przewaga biologii nad inżynierią wynika z lepszej integracji podsystemów i identyfikujemy cztery kluczowe przeszkody, które robotycy muszą pokonać.

Aby osiągnąć ten cel, podkreślamy obiecujące kierunki badań, które mają ogromny potencjał, aby pomóc przyszłym robotom osiągnąć wydajność na poziomie zwierząt.