От горных козлов, взбирающихся по почти вертикальным скалам, до броненосцев, сворачивающихся в защитный шар, животные эволюционировали, чтобы легко адаптироваться к изменениям в своей среде. Напротив, когда автономный робот запрограммирован на достижение цели, каждое изменение его предопределенного пути представляет собой значительную физическую и вычислительную задачу.
Исследователи под руководством Джози Хьюз из лаборатории CREATE в Школе инженерии EPFL хотели разработать робота, который мог бы пересекать различные среды так же искусно, как животные, изменяя форму на лету. С GOAT (Good Over All Terrains) они достигли именно этого — и создали новую парадигму для роботизированного передвижения и управления в этом процессе.
Благодаря своей гибкой, но прочной конструкции GOAT может спонтанно трансформироваться между плоской формой «ровер» и сферой во время движения. Это позволяет ему переключаться между вождением, вращением и даже плаванием, потребляя при этом меньше энергии, чем робот с конечностями или придатками.
«В то время как большинство роботов вычисляют кратчайший путь из А в Б, GOAT учитывает модальность перемещения, а также путь, который нужно выбрать», — объясняет Хьюз. «Например, вместо того, чтобы обходить препятствие, например ручей, GOAT может проплыть прямо через него. Если его путь холмистый, он может пассивно катиться вниз по склону как сфера, чтобы сэкономить время и энергию, а затем активно двигаться как марсоход, когда качение больше не выгодно».
Соблюдение требований имеет решающее значение
Для разработки своего робота команда CREATE черпала вдохновение из всего животного мира, включая пауков, кенгуру, тараканов и осьминогов. Биовдохновленный подход команды привел к созданию конструкции, которая отличается высокой степенью податливости, то есть она адаптируется в ответ на взаимодействие с окружающей средой, а не остается жесткой.
Такая податливость означает, что GOAT может активно изменять свою форму, чтобы менять свои пассивные свойства, которые варьируются от большей гибкости в конфигурации марсохода до большей прочности в виде сферы.
Изготовленный из недорогих материалов, простой каркас робота состоит из двух пересекающихся эластичных стержней из стекловолокна с четырьмя моторизованными колесами без обода. Два приводимых в действие лебедкой кабеля изменяют конфигурацию каркаса, в конечном итоге укорачивая его как сухожилия, чтобы плотно стянуть его в шар. Аккумулятор, бортовой компьютер и датчики находятся в полезной нагрузке весом до 2 кг, которая подвешена в центре каркаса, где она хорошо защищена в режиме сферы — примерно так же, как еж защищает свое подбрюшье.
Путь наименьшего сопротивления
Аспирант CREATE Lab Макс Ползин объясняет, что соответствие также позволяет GOAT ориентироваться с минимальным сенсорным оборудованием. Имея только спутниковую навигационную систему и устройство для измерения собственной ориентации робота (инерциальный измерительный блок), GOAT не несет на борту никаких камер: ему просто не нужно точно знать, что находится на его пути.
«Большинство роботов, перемещающихся по экстремальной местности, имеют множество датчиков для определения состояния каждого двигателя, но благодаря своей способности использовать собственную податливость, GOAT не нуждается в сложных датчиках. Он может использовать окружающую среду, даже имея очень ограниченные знания о ней, чтобы найти наилучший путь: путь наименьшего сопротивления», — говорит Ползин.
Будущие направления исследований включают улучшенные алгоритмы, которые помогут использовать уникальные возможности морфинговых, совместимых роботов, а также масштабирование конструкции GOAT вверх и вниз для размещения различных полезных нагрузок. Заглядывая вперед, исследователи видят множество потенциальных применений для своего устройства, от мониторинга окружающей среды до реагирования на стихийные бедствия и даже внеземных исследований.
«Такие роботы, как GOAT, могут быть быстро развернуты на неизведанной территории с минимальными системами восприятия и планирования, что позволит им превратить экологические проблемы в вычислительные активы», — говорит Хьюз. «Используя комбинацию активной реконфигурации и пассивной адаптации, следующее поколение послушных роботов может даже превзойти универсальность природы».
