Krmilnik po navdihu rastlin, ki bi lahko olajšal delovanje robotskih rok v resničnem okolju

Številni obstoječi robotski sistemi črpajo navdih iz narave, umetno reproducirajo biološke procese, naravne strukture ali vedenje živali za doseganje določenih ciljev. To je zato, ker so živali in rastline prirojeno opremljene s sposobnostmi, ki jim pomagajo preživeti v svojem okolju, in bi tako lahko izboljšale delovanje robotov tudi zunaj laboratorijskih nastavitev.

»Mehke robotske roke so nova generacija robotskih manipulatorjev, ki črpajo navdih iz naprednih zmogljivosti manipulacije, ki jih kažejo organizmi 'brez kosti', kot so lovke hobotnice, slonji rilci, rastline itd.,« Enrico Donato, eden od raziskovalcev, ki so izvedli študijo, je povedal Tech Xplore. »Prevajanje teh načel v inženirske rešitve ima za posledico sisteme, ki so sestavljeni iz prožnih lahkih materialov, ki so lahko podvrženi gladkim elastičnim deformacijam, da ustvarijo skladno in spretno gibanje. Zaradi teh zaželenih lastnosti se ti sistemi prilagajajo površinam in kažejo fizično robustnost ter varno delovanje pri potencialno nizkih stroških.«

Medtem ko bi mehke robotske roke lahko uporabili za širok spekter problemov v resničnem svetu, bi lahko bile še posebej uporabne za avtomatizacijo nalog, ki vključujejo doseganje želenih lokacij, ki so morda nedostopne togim robotom. Številne raziskovalne skupine so v zadnjem času poskušale razviti krmilnike, ki bi tem prilagodljivim rokam omogočili učinkovito reševanje teh nalog.

"Na splošno se delovanje takih krmilnikov opira na računalniške formulacije, ki lahko ustvarijo veljavno preslikavo med dvema operativnima prostoroma robota, tj. prostorom opravil in prostorom aktuatorja," je pojasnil Donato. »Vendar je pravilno delovanje teh krmilnikov na splošno odvisno od povratne informacije vida, ki omejuje njihovo veljavnost v laboratorijskih okoljih, kar omejuje uporabnost teh sistemov v naravnih in dinamičnih okoljih. Ta članek je prvi poskus premagovanja te nenaslovljene omejitve in razširitve dosega teh sistemov na nestrukturirana okolja.«

"V nasprotju s splošnim napačnim prepričanjem, da se rastline ne premikajo, se rastline aktivno in namensko premikajo od ene točke do druge z uporabo strategij gibanja, ki temeljijo na rasti," je dejal Donato. »Te strategije so tako učinkovite, da lahko rastline kolonizirajo skoraj vse habitate na planetu, kar je sposobnost, ki manjka v živalskem kraljestvu. Zanimivo je, da v nasprotju z živalmi strategije gibanja rastlin ne izvirajo iz osrednjega živčnega sistema, temveč nastanejo zaradi sofisticiranih oblik decentraliziranih računalniških mehanizmov.«

Nadzorna strategija, ki podpira delovanje krmilnika raziskovalcev, poskuša posnemati sofisticirane decentralizirane mehanizme, ki podpirajo gibanje rastlin. Ekipa je posebej uporabila orodja umetne inteligence, ki temeljijo na vedenju in so sestavljena iz decentraliziranih računalniških agentov, združenih v strukturo od spodaj navzgor.

»Novost našega biološko navdihnjenega krmilnika je v njegovi preprostosti, kjer izkoriščamo temeljne mehanske funkcije mehke robotske roke za ustvarjanje splošnega vedenja pri doseganju,« je dejal Donato. »Natančneje, mehka robotska roka je sestavljena iz redundantne razporeditve mehkih modulov, od katerih se vsak aktivira prek triade radialno razporejenih aktuatorjev. Znano je, da lahko sistem za takšno konfiguracijo ustvari šest glavnih smeri upogibanja.«

Računalniški agenti, ki podpirajo delovanje krmilnika ekipe, izkoriščajo amplitudo in časovno razporeditev konfiguracije aktuatorja za reprodukcijo dveh različnih vrst gibanj rastlin, znanih kot cirkumnutacija in fototropizem. Cirkumutacije so nihanja, ki jih običajno opazimo pri rastlinah, medtem ko so fototropizem usmerjeni gibi, ki približajo veje ali liste rastline bližje svetlobi.

Krmilnik, ki so ga ustvarili Donato in njegovi sodelavci, lahko preklaplja med tema dvema vedenjema in tako doseže zaporedni nadzor robotskih rok, ki se razteza čez dve stopnji. Prva od teh stopenj je faza raziskovanja, kjer roke raziskujejo svojo okolico, medtem ko je druga faza doseganja, kjer se premikajo, da dosežejo želeno lokacijo ali predmet.

»Morda je najpomembnejša ugotovitev tega posebnega dela, da je to prvič, da je bilo redundantnim mehkim robotskim rokam omogočeno doseganje zmogljivosti zunaj laboratorijskega okolja z zelo preprostim nadzornim okvirom,« je dejal Donato. »Poleg tega je krmilnik uporaben za katero koli programsko opremorobotroka je zagotovila podobno ureditev aktiviranja. To je korak k uporabi vgrajenega zaznavanja in porazdeljenih nadzornih strategij v kontinuumskih in mehkih robotih.«

Doslej so raziskovalci testirali svoj krmilnik v seriji testov z uporabo modularne, s kablom vodene, lahke in mehke robotske roke z 9 prostostnimi stopnjami (9-DoF). Njihovi rezultati so bili zelo obetavni, saj je krmilnik roki omogočal raziskovanje okolice in doseganje ciljne lokacije bolj učinkovito kot druge nadzorne strategije, predlagane v preteklosti.

V prihodnosti bi lahko novi krmilnik uporabili za druge mehke robotske roke in ga testirali tako v laboratoriju kot v resničnem svetu, da bi dodatno ocenili njegovo sposobnost obvladovanja dinamičnih okoljskih sprememb. Medtem Donato in njegovi kolegi načrtujejo, da bodo svojo strategijo nadzora še naprej razvijali, tako da bo lahko ustvarila dodatne robotske gibe in vedenja rok.

"Trenutno iščemo izboljšave zmogljivosti krmilnika, da bi omogočili bolj zapleteno vedenje, kot je sledenje tarči, zvijanje cele roke itd., da bi takim sistemom omogočili dolgotrajno delovanje v naravnem okolju," je dodal Donato.