Еволюція проти інженерії: чому роботи не можуть обігнати тварин?

Незважаючи на кращі окремі компоненти, роботи відстають від тварин у загальній продуктивності, що свідчить про те, що в майбутньому ми зосередимося на кращій системній інтеграції та контролі в робототехніці.

Інженери-робототехніки працювали десятиліттями та інвестували багато мільйонів доларів у спроби створити робота, який може ходити чи бігати так само добре, як тварина. І все ж таки залишається те, що багато тварин здатні на подвиги, які були б неможливі для існуючих сьогодні роботів.

«Антилопа гну може мігрувати на тисячі кілометрів по пересіченій місцевості, гірський козел може піднятися буквально на скелю, знаходячи опори, яких начебто навіть немає, а таргани можуть втратити ногу і не сповільнитися», — говорить доктор. Макс Донелан, професор кафедри біомедичної фізіології та кінезіології університету Саймона Фрейзера. «У нас немає роботів, здатних на таку витривалість, спритність і міцність».

Порівняння роботів із тваринами

Щоб зрозуміти, чому та кількісно визначити, чому роботи відстають від тварин, міждисциплінарна група вчених та інженерів із провідних дослідницьких університетів завершила детальне дослідження різних аспектів бігу роботів, порівнюючи їх з їхніми еквівалентами у тварин, для статті, опублікованої в Science Robotics. . У документі встановлено, що за показниками, які використовують інженери, біологічні компоненти працюють напрочуд погано порівняно з виготовленими деталями. Однак тварини перевершують свою інтеграцію та контроль над цими компонентами.

Разом із Донеланом команда складалася з докторів. Сем Берден, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Вашингтонського університету ; Том Ліббі, старший інженер-дослідник SRI International; Каушік Джаярам, ​​доцент кафедри машинобудування Пола М. Раді в Університеті Колорадо Боулдер; і Саймон Спонберг, ад’юнкт-професор фізики та біологічних наук у Технологічному інституті Джорджії.

Дослідники вивчали одну з п’яти різних «підсистем», які об’єднуються для створення робота, що біжить, — Power, Frame, Actuation, Sensing і Control — і порівнювали їх з їхніми біологічними еквівалентами. Раніше вважалося, що перевага тварин над роботами має бути зумовлена ​​перевагою біологічних компонентів.

«Так склалося, що, за незначними винятками, інженерні підсистеми перевершують біологічні еквіваленти, а іноді й радикально перевершують їх», — каже Ліббі. «Але також дуже, дуже ясно, що якщо порівняти тварин із роботами на рівні всієї системи, з точки зору руху, тварини дивовижні. А роботам ще належить наздогнати».

Уявлення про розвиток робототехніки

Більш оптимістично щодо галузі робототехніки дослідники відзначили, що якщо порівняти відносно короткий час, який робототехніці знадобилося для розвитку своєї технології, з незліченними поколіннями тварин, які еволюціонували протягом багатьох мільйонів років, прогрес насправді був надзвичайно швидким. .

«Це рухатиметься швидше, оскільки еволюція не спрямована», — каже Берден. «У той час, як ми можемо значною мірою виправити те, як ми проектуємо роботів і навчитися чогось в одному роботі та завантажити це в кожного іншого робота, біологія не має такої можливості. Отже, є способи, за допомогою яких ми можемо рухатися набагато швидше, коли ми створюємо роботів, ніж ми можемо через еволюцію, – але еволюція має величезну перевагу».

Більш ніж просто інженерний виклик, ефективні бігові роботи пропонують незліченну кількість потенційних застосувань. Ця технологія має багато потенційних застосувань для вирішення завдань доставки «останньої милі» у світі, створеному для людей, який часто важко орієнтуватися для колісних роботів, проведення пошуків у небезпечних середовищах або обробки небезпечних матеріалів.

Майбутні напрямки в робототехніці

Дослідники сподіваються, що це дослідження допоможе спрямувати майбутній розвиток технології роботів, з акцентом не на створенні кращого апаратного забезпечення, а на розумінні того, як краще інтегрувати та контролювати існуюче обладнання. Донелан робить висновок: «Оскільки техніка вивчає принципи інтеграції з біології, бігові роботи стануть такими ж ефективними, гнучкими та міцними, як і їхні біологічні аналоги».