Naturens krafter

Upphängd över ett löpband mitt i Biomimetic Robotics Lab, Sangbae Kims mest kända skapelse väntar på sin nästa testkörning. Cheetah III är ett knippe av leder, kretsar och elmotorer. Liksom djuret som delar sitt namn, väger den fyrbenta boten cirka 90 pund, och den är snabb och kompetent. Designad för att hoppa över hinder och ta sig igenom svåra miljöer i hastigheter på upp till 3 meter per sekund, eller 6,7 miles per timme, kan Cheetah III gå nästan vart som helst en människa kan gå, med minimal övervakning, säger Kim.

För tillfället behöver den skydd från paparazzi, om inte annat. Även om de saknar funktioner som päls och öron, upprätthåller Cheetah-bots en däggdjurskarisma. När man går ut - för att trava nerför Massachusetts Avenue eller hoppa runt en MIT-fotbollsplan - tenderar det att dra en folkmassa. I Kims Ice Bucket Challenge-video från 2014 stjäl en tidigare Cheetah-modell showen genom att sparka över hinken. Labmedlemmar har tappat över fönstren på 5-017 så att de kan få jobbet gjort.

Kim, docent i maskinteknik, får sina idéer från naturen. Biologin vägleder oss mot vad som kan vara möjligt, säger han. Det har hjälpt honom att tillverka maskiner som rör sig som insekter, ödlor och katter, för att inte tala om att få hundratusentals YouTube-visningar. Men han vill inte sluta där. Kims senaste forskning tar sina ledtrådar från ett särskilt inspirerande djur: människan.

Återuppfinna benet
I Biomimetic Robotics Lab i källaren i byggnad 5 är Cheetah III omgiven av mer välbekanta maskiner. Kims labb fungerar som en liten tillverkningsanläggning, med 3D-skrivare, en laserskärare, en borrpress och en CNC-fräsmaskin. Medan de flesta robotlaboratorier använder prefabricerade delar, föredrar Kim en DIY-metod. Vi bygger i princip allt vi har, säger han.

Detta är försiktigt när du tillverkar och testar en ny mekanisk art: under loppet av en hård dag med träning, brukade Cheetah gå igenom en hel uppsättning tassdynor av polyuretan. (Nu har den gummide istället.) Men ännu viktigare, gör-det-själv-tillvägagångssättet gör att teamet kan börja från början, obehindrat av de antaganden som är inbyggda i standardhårdvara. Hur den rör sig skiljer sig verkligen från de flesta robotar, eftersom vi faktiskt designade vårt system själva, säger Kim.

De flesta av Cheetahs kamrater är optimerade för fabriker. De tillverkar robotar, gjorda för att göra samma uppsättning uppgifter om och om igen, oavsett om det är att packa en pall eller skruva i en bult. De är mycket snabbare, mer exakta och mer konsekventa än människor, säger Kim. Men de interagerar faktiskt inte med sin miljö eller objekt som vi gör.

För att demonstrera utför Kim en klassisk mänsklig handling: att ta sin bärbara dator från bordet. Han är tecknat klumpig om det - hans underarmar smäller in i bordets yta och hans händer träffar sidorna av skärmen - men både människa och bärbar dator förblir oskadda. Sedan lägger han ner den igen och imiterar hur en fabriksrobot skulle ta sig an samma uppgift. Den här gången glider han med händerna med stor koncentration och bromsar allt eftersom han går. När han faktiskt når föremålet rör han sig knappt.

Din promenad är en miljon gånger mer fantastisk än jetjaktplan som flyger.

En människa kan bara ta tag i saker på en sekund eller mindre, säger han. Men en robot? Det måste vara långsamt, för det kan inte kollidera. Samma styvhet som gör en fabriksrobot konsekvent hindrar den från att säkert absorbera energin som produceras av en stöt. Istället slutar den energin med att bryta den, eller vad den nu försöker interagera med. Denna begränsning är förödande för maskiner som vill, säg, gå: trots allt är varje steg en kollision, säger Kim. (Fordon har också problem med att klara marken. Som Kim påpekar har flygplan och båtar luft och sjö, men vi har varit tvungna att jämna ut vägen för landtransporter med vägar och järnvägsspår.)

Sangbae Kims första Cheetah-prototyp hade ett huvud, en ryggrad och en svans. Den senaste springer som en gepard men ser inte ut som ett djur längre, säger han.

När människor försöker göra robotar som går och springer börjar de ofta med samma element som de i industriella bots. Till exempel, när det är dags att välja ett manöverdon - den del av en maskin som omvandlar en energikälla till rörelse - kommer de att gå med en hydraulisk: stark och exakt, men mycket styv och oförmögen att absorbera stötar. De kommer att placera ställdonet vid robotens höft och en kraftsensor vid foten. När roboten går, räknar kraftsensorn ut hur hårt den slår mot marken och talar om för ställdonet, som justerar därefter.

I allmänhet fungerar dock inte denna strategi så bra. Du känner kraften här [vid foten], men ditt ställdon är långt borta och för långsamt, förklarar Kim. Det finns en hel del massa och dynamik däremellan ... det blir instabilt. (Han gillar att slå hem poängen med en supercut från 2015 års DARPA Robotics Challenge, där en serie dyra, imponerande tvåbenta robotar välter som lugna Terminators.)

Så Kim bestämde sig för att börja om och designade en ny typ av ställdon med olika prioriteringar. Hans ställdon är magert och elak - det har högt vridmoment, så det kan generera mycket rotationskraft, men det drivs av en lättvikts elektrisk motor med minimal rotationströghet, vilket gör att den snabbt kan ändra hur snabbt den snurrar. Resten av Cheetahs ben är designat för att vara så lätt och så låg friktion som möjligt, säger han.

Eftersom benet är smalt och lätt, förändras kraften som produceras av ställdonet knappt när det kommer till foten, vilket gör en kraftsensor onödig. Detta ger Cheetah snabbare reflexer: den kan ändra mängden kraft den utövar cirka 50 gånger snabbare än robotar som använder både ställdon och kraftsensorer.

En klumpigare robot behöver en hel dataslinga att sparka in innan den kan ta reda på hur hårt foten precis träffade trottoaren och vad den ska göra härnäst. Men när geparden landar från att ha hoppat över ett hinder, kontrollerar fötterna de nödvändiga krafterna för att balansera och återhämta sig direkt efter att ha kolliderat med marken, säger Kim. (Designen kan också absorbera energi mycket lättare - när foten träffar marken går slagkraften tillbaka upp för benet och in i ställdonet och laddar upp motorn istället för att bryta den.)

Istället för att känna kraft fokuserar geparden på att ta reda på var den är i rymden. Ledpositionssensorer, accelerometrar och gyroskop matar ständigt in data till en uppsättning algoritmer, som arbetar för att avgöra när och hur hårt varje ben sannolikt kommer att träffa marken nästa gång. När gepardens fot trampar på något oväntat – säg en sten som får dess kropp att luta – hjälper denna information roboten att bestämma om den ska fortsätta sitt steg eller dra sig tillbaka. Om den förbinder sig till ett steg, startar en annan algoritm för att förutsäga hur mycket kraft som ska appliceras för att komma över objektet - eller vilken kompenserande kraft som behövs för att justera dess balans om det blir knuffat.

Denna uppsättning prioriteringar har gjort det möjligt för Cheetah att göra saker som de flesta andra bots inte kan, som trav och hopp. Den är också extremt effektiv – den använder energi bara något mindre klokt än en verklig gepard, vilket sätter den i ligan före andra robotar. Den kan till och med manövrera runt sin miljö utan kameror. I en höjdpunktsrulle springer en blind gepard över en grusplats, klättrar upp för en trappa och tar sig upprepade gånger när en labbmedlem stöter på den med en käpp. Kim kallar sitt tillvägagångssätt proprioceptiv aktivering, efter det sjätte sinnet som ger människor medvetenhet om våra kroppars position i rymden.

För att uppnå sådan stabilitet krävs att man offra viss noggrannhet – vi har 10 % eller 15 % fel [av kraftkontroll] konstant, säger Kim. Även om det kan missnöja vissa ingenjörer, är Cheetah så lätt och energiabsorberande att den i allmänhet kan tolerera felfrekvensen, även med kraftiga stötar från löpning och hopp.

Att översätta levande varelsers beteende till mekaniska termer kräver ett mångskiktat tankesätt. Alla inom robotik är väldigt fokuserade på sitt eget lilla område – det finns många mjukvarugrupper som tror att allt kan lösas med kod, eller hårdvarugrupper med hårdvara, säger João Ramos, PhD '18, en av labbets postdoktorer. Sangbae har en integrerad vy. Om du vill lösa problemet måste du tänka på det på konceptnivå, hårdvarunivå och mjukvara.

Detta paradigmskifte var möjligt eftersom jag är en maskiningenjör, instämmer Kim. Jag tänker på dynamiken hos stela kroppar istället för att [bara] skriva mjukvara. Flera företag, inklusive Boston Dynamics, använder nu även hans ställdondesign i delar av sina robotar.

Klättrar upp
Kim fick för vana att leta efter nya sätt att göra saker på när han växte upp i Seoul, Sydkorea, och bodde på ett litet utrymme utan många resurser – eller en verkstad. Jag byggde en massa saker, säger han. Jag hittade alla möjliga sätt att skapa mina egna verktyg. Han tog isär hushållsapparater för att se om han kunde sätta ihop dem igen. När hans vänner körde runt med sina radiostyrda bilar satte han upp magen och pysslade med den.

Som student vid Yonsei University i Seoul designade han vad som då var världens billigaste 3D-skanner. (Han tjänstgjorde också i den sydkoreanska armén, en erfarenhet som han säger förstärkte hans avsky för byråkrati.) Han gick med i en startup som kommersialiserade skannern men, strax efter att ha utvecklat den första prototypen, insåg han att han föredrog att uppfinna framför att finjustera och bestämde sig för att återvända till akademin.

När han kom till Stanford för gymnasiet 2002 ville han fortsätta arbeta med hårdvarudesign men insåg att många uppgifter som en gång krävde att mixtra med rörliga delar nu skedde på datorer. Vad kan inte ersättas av elektronik? han säger. Om du måste arbeta med något som fysiskt interagerar med miljön, kan det inte ersättas av en kod eller ett chip ... Det var därför jag klev in i robotvärlden.

Kim gick med i Mark Cutkoskys Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory på Stanford. Jag blev fascinerad av hur djur rör sig, säger han. Jag var fokuserad på principen 'Åh, det här är något i djur - låt oss replikera det.' Han arbetade på en spindelliknande klättermaskin och en svärm av kackerlacksinspirerade robotar som kunde köra av sig själva. Senare, som postdoc vid Harvard, byggde han en autonom robotdaggmask. (Den rör sig genom att klämma ihop sina segment som svar på en elektrisk ström, och den är tillräckligt mjuk för att överleva att bli trampad på.)

Men hans första stora genombrott var Stickybot, en robot som kan skala väggar som en gecko. Precis som gepardben, åstadkommer geckofötter två svåra saker samtidigt: de kan fästa sig vid en vägg med stor styrka, men de kan också lossna från den med stor hastighet. Om du funderar på att bygga en klätterdräkt — om du har riktigt klibbiga händer kan du klättra på väggen, men om dina händer är så klibbiga kan du inte få av väggen, säger Kim. Men geckosna springer upp.

Mini Cheetah, en mindre, säkrare och smidigare gepard, är för forskning och utbildning. Data samlas in genom dess tether, och kontrollalgoritmer kan ändras på samma sätt.

2006 publicerade Kellar Autumn, biolog vid Lewis & Clark College, ett dokument som beskriver exakt hur geckos hanterar det. Nyckeln sitter i små hårstrån på fötterna, som är strukturerade för att bara fastna när de dras åt ena hållet. Kim använde principen för att skapa Stickybot och ett lim som han kallar geckotejp. Det är nog fortfarande mitt favoritprojekt vad gäller vetenskap, säger han. Vi utvecklade ett nytt material – ett nytt koncept som inte fanns innan vi förstod gecko.

2009 gick Kim med på MIT-fakulteten och i flera år träffade han ofta Rodney Brooks på Starbucks för att kasta runt idéer. (Brooks, tidigare chef för CSAIL, hade gått iväg för att grunda Rethink Robotics 2008.) Han tänker brett, säger Brooks – och försöker saker som kan skrämma andra människor. Brooks påminner om att Kim vid en Amazon-konferens 2017 bestämde sig för att ta reda på hur man ger Cheetah talkommandon med hjälp av ett Amazon Echo. När hans demo kom nästa morgon kunde han prata med sin robot för första gången, säger han. Det var ett modigt drag.

Kim fick anställning 2016, och vartannat år undervisar han i 2.74 (Bio-Inspired Robotics), för vilket elever har gjort bots som gungar som en apa eller hoppar som en känguru. Han undervisar också i 2.007 (Design and Manufacturing). Den berömda robotdesignklassen kulminerar i en tematävling som alltid drar publik, och Kim och hans medinstruktör, Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, klär ut sig i kostymer för att klara det. Förra året spelade Kim Willy Wonka. Många av de föreläsningar på hög nivå han höll handlade om hur man hämtar inspiration från naturen, minns Selam Gano '18, som gick sin biomimetikklass 2017. Han kommer att säga saker som 'När du lämnar den här klassen vill jag att du bara stirra på din hand och vara som, Wow, det här är otroligt!'... Han smittar verkligen alla med hur exalterad han är.

Pressa det till gränsen
Ibland vet man inte hur otroligt något verkligen är förrän det slutar fungera. Till exempel, för cirka 15 år sedan, sprack Kim sin akillessena. Det kastade honom för en slinga: visst, han spelade basket vid den tiden, men han gjorde inget fancy. Jag gick bara, säger han. Det var konstigt. Hans läkare satte honom i sex månaders soffvila.

Kim – som sedan har bytt till tennis – är inte ett fan av soffvila. Han tyckte ändå att upplevelsen var upplysande. Dina muskler är starka nog att slita ut senor och rubba leder hela tiden, säger han. Våra nervsystem justerar alltid noggrant mängden kraft du behöver generera. På något sätt hade hans kropp kringgått detta, och han hade trängt sig förbi sina egna gränser. Men för det mesta skyddar vi oss själva. Till skillnad från de där klumpiga DARPA Challenge-robotarna lyckas vi ha både makt och kontroll.

Jag var fokuserad på principen 'Åh, det här är något hos djur - låt oss replikera det.'

Vad mer är, som geckos som skalar en vägg, vi gör detta utan att ens tänka på det. Din promenad är en miljon gånger mer fantastisk än jetjaktplan som flyger, säger Kim och skramlar av en lista över våra undermedvetna färdigheter. Vi kan öppna dörrar utan att tappa balansen. Vi kan jogga nerför gatan medan vi är distraherade. Vi kan äta frukost medan vi fortsätter en konversation, och vi tänker inte 'Åh, jag flyttar tillbaka den här lilla potatisklumpen till vänster sida av tänderna så att tänderna kan krossa den till en lagom stor bit, ' han säger. Vi tar för många saker för givet!

Vi kanske aldrig behöver en robot som tuggar. Men om vi vill ha en som är bra på att hålla sig upprätt, kan det hjälpa att utnyttja våra egna förmågor – som ett annat av Kims projekt gör. HERMES (som står för högeffektiva robotmekanismer och elektromekaniskt system) är en tvåfotsrobot som använder samma unika ställdon som Cheetah. Men istället för att fungera helt på egen hand, styrs den av en människa, med hjälp av vad Kim kallar ett balansåterkopplingsgränssnitt.

För att styra HERMES bär en mänsklig operatör en speciell rörelsedetektorväst och står på en plattform med inbyggda kraftsensorer. Genom att spåra och överföra rörelsedata i båda riktningarna genom vajrar skapar väst och plattform en upplevelsemässig koppling mellan människa och robot. Säg att HERMES ska öppna en tung dörr. Den mänskliga operatören gör en tryckande rörelse och roboten följer efter. När HERMES slår in i dörren känner människan stöten och justerar balansen därefter. HERMES gör samma justeringar och undviker att ramla omkull. Algoritmer justerar de relevanta krafterna så att en människa som bär västen kan styra en mindre robot, eller en fyrbent.

På detta sätt låter systemet både människa och bot ta med sina styrkor till situationen samtidigt som de minimerar sina svagheter. Människor är smarta och bra på att balansera och manipulera, men vi är ganska ömtåliga. Robotar är starka och tuffa, men de behöver mycket riktning. Kim vill kombinera denna teknik med geparden och ersätta ena benen med en proprioceptiv robotarm som han arbetar med. Armen förenar människan med maskinen i en mer känslig skala, vilket låter operatören känna vad som händer när roboten greppar ett rep eller vrider på ett dörrhandtag.

Han föreställer sig en första responder som använder dessa verktyg för att utforska ett farligt område. Du har [VR]-glasögon och kanske röstkommando: 'Gepard, gå till rum 507', säger han. Cheetah tar sig snabbt dit, rör sig effektivt och undviker skräp. Den hittar sitt mål: Åh, det finns en gasläcka och du måste stänga den här ventilen. Boten kan sedan stå på tre ben när människan manipulerar det fjärde benet – som också fungerar som robotarmen – för att justera ventilen.

Det här är min stora vision: rörlighet på mänsklig nivå, mestadels autonom, med manipulation mestadels utförd av människor, säger Kim. Dessa tre komponenter kommer så småningom att tillåta oss att göra detta. När de kan, tillägger han, kommer fler möjligheter att öppnas. Kim kan föreställa sig sina robotar i de äldres hem, fjärraktiverade när det behövs av en person i ett kontrollrum: de skulle kunna ge både hjälp och integritet för människor som behöver hjälp men ändå vill leva på egen hand.

Eller så kanske hans gepardrobotar kommer att göra farligt manuellt arbete, guidade av skickliga arbetare som är inhysta på säkra platser i närheten. Han förutspår att Cheetah III om två till tre år kommer att kunna navigera i ett strålningsfyllt kraftverk; om ett decennium borde dess efterträdare kunna utföra mer fysiskt krävande arbete, som att manipulera skräp. Och om 15 till 20 år, tror han, kan den komma in i en brinnande byggnad och rädda människor.

Men Kim har slutat fokusera på att kopiera andra varelser direkt. När jag först föreställde mig min robot springande, galopperande som en gepard, tänkte jag alltid på denna vackra kroppsböjning, säger han. Han insåg dock snabbt att en smidig ryggrad inte skulle göra hans bot bättre på sitt slutliga jobb. Detsamma gäller för andra detaljer: I början tittade jag på varje benform, banor och så vidare, säger han. Jag tittar fortfarande på många biologistudier för att verkligen förstå vad som händer. Men han behandlar dem mer som inspiration än instruktionshäften: Nu säger jag: 'Okej, fyra ben är bra.'

Dölj