20 nóg zamiast dwóch. Dziwny robot zmienia myślenie o optymalnej konstrukcji maszyn

👁 138 przeczytań

Przez dekady robotycy czerpali inspirację z przyrody: budowali maszyny na kształt ludzi, psów, owadów, a nawet koni. Każda z tych konstrukcji miała przód i tył, górę i dół - i każda, niezależnie od zaawansowania, pozostawała ograniczona swoją asymetrią. A gdyby tak spojrzeć na problem odwrotnie? Zamiast pytać, które zwierzę naśladować, zadać inne pytanie: jak bardzo symetryczna może być maszyna? Odpowiedź - jak pokazuje zespół z Duke University - brzmi: prawie idealnie i na 20 nogach.

Robot jak jeżowiec - i mitologiczny strażnik

Argus - bo tak naukowcy nazwali swoje dzieło - nie przypomina niczego, co do tej pory zbudowano. Jego 20 teleskopowych nóg, każda wyceniona na 300 dolarów, rozchodzi się promieniście z centralnego korpusu. Na końcu każdej nogi zamontowano kamerę głębi. Brak tu wyraźnego przodu czy tyłu. Jak mówi Jiaxun Liu, doktorant w Duke’s General Robotics Lab i współautor badania: „Obserwowanie ruchu Argusa jest zupełnie inne niż w przypadku jakiegokolwiek innego robota, z którym pracowaliśmy. Gdy pierwszy raz zobaczyliśmy, jak porusza się wśród drzew i po nierównym terenie, nawet po silnych zderzeniach [kiedy ktoś go popchnął], wiedzieliśmy, że to coś wyjątkowego”.

Nazwa nawiązuje do Argusa Panoptesa, stuokiego olbrzyma z greckiej mitologii - i faktycznie, zestaw kamer na nogach zapewnia maszynie niemal pełne pole widzenia. Ale to nie inspiracja mitologiczna stanowi o przełomowości konstrukcji. Klucz leży w matematyce.

Dynamiczna izotropia - czyli ruch bez słabych stron

Zanim zespół przystąpił do budowy, przeprowadził ponad 1500 symulacji różnych kształtów robotów. Nie chodziło o wierność naturze, ale o współczynnik, który badacze nazywają dynamiczną izotropią. Skala od 0 do 1 mierzy, jak równomiernie robot potrafi przyspieszać swój środek masy w każdym kierunku. Wynik 1 oznaczałby zdolność do identycznej reakcji w dowolną stronę.

Większość współczesnych robotów - w tym zaawansowane czworonogi, humanoidy i konwencjonalne drony - osiąga poniżej 0,6. Są po prostu lepsze w poruszaniu się w jednym kierunku niż w innych. Argus ze swoimi 20 nogami uzyskał wynik 0,91 - blisko teoretycznego maksimum.

Jak tłumaczy Boyuan Chen, dyrektor Duke’s General Robotics Lab i współautor pracy opublikowanej w Science Robotics: „Kiedy robot potrafi przyspieszać równie dobrze w każdym kierunku, przestaje potrzebować konkretnego ustawienia względem świata. Przód i tył stają się tym samym. Lewo i prawo - tym samym. Cały problem sterowania robotem zmienia swój charakter”.

Aby osiągnąć tak wysoki wynik, naukowcy ułożyli nogi wokół bryły zwanej regularnym dwunastościanem - trójwymiarowej figury o 12 pięciokątnych ścianach. To właśnie ten geometryczny wybór zapewnia niemal jednorodne pole widzenia i swobodę ruchu we wszystkich kierunkach.

Testy w terenie - i porażka jako zaleta

Argus nie pozostał w laboratorium. Zespół zabrał go na kampus Duke University, gdzie toczył się po betonie, trawie, gęstych zaroślach, miękkim piasku, mokrej nawierzchni i korze drzew. Pokonywał przeszkody o wysokości do 12,7 centymetra. I - co może najciekawsze - kontynuował jazdę nawet po tym, jak trzy z jego nóg uległy uszkodzeniu. Uciągnął też ważący 4,5 kilograma ładunek i popchnął trzymetrową kostkę.

„Pokazuje to, że projektowanie z myślą o dynamicznej symetrii to nie tylko teoretyczna ciekawostka” - komentuje Boxi Xia, pracownik naukowy w Duke’s General Robotics Lab i współautor badania. „Powstaje robot, który można wdrożyć w terenie, na nierównym podłożu i w trudnych warunkach, nawet przy niskiej grawitacji. To zmienia granice tego, co jest możliwe”.

Co więcej, sposób, w jaki zaprojektowano Argusa, może okazać się ważniejszy niż sama maszyna. Zamiast testować kolejne biologiczne wzorce, zespół pokazał, że można zacząć od czystej matematyki i zbudować robota od podstaw, mając jedynie na uwadze optymalny rozkład sił i symetrię. To podejście - jak podkreślają naukowcy - otwiera drogę do porównywania różnych form robotów w sposób dotąd niemożliwy i do projektowania nowych, które nie będą naśladować żadnego zwierzęcia, a jedynie głębokie prawa fizyki.

Argus pozostaje na razie prototypem, dowodem koncepcji. Ale jego 20 nóg sugeruje, że przyszłość robotyki może wyglądać zupełnie inaczej, niż sobie wyobrażaliśmy. I że odpowiedź na pytanie o idealną maszynę wcale nie kryje się w naturze - tylko w liczbach.