Robotarna som springer så här

I pit lane på Homestead-Miami speedway i Florida, inne på en bana där racerbilar ibland färdas i över 300 kilometer i timmen, tittar en liten folkmassa på något betydligt långsammare men utan tvekan mycket mer imponerande. En solig lördagsmorgon strax före jul funderar en robot som ungefär liknar en stor person på en provisorisk dörr på asfalten framför sig. Den övervakar dörren med hjälp av en laserskanner och ett par kameror i huvudet; sedan, efter en lång paus, sträcker roboten ut en glänsande aluminiumarm, trycker upp dörren och går sakta igenom.

Roboten, kallad Atlas och tillverkad av Boston Dynamics, tävlar i DARPA Robotics Contest, organiserad av U.S. Defense Advanced Research Projects Agency. Under helgen försökte robotar av varierande form och design, alla fjärrstyrda, utmaningar för att testa gränserna för artificiell avkänning, manipulation och smidighet. Varje uppgift är inspirerad av arbete som kan hjälpa till att stoppa en läcka vid ett drabbat kärnkraftverk. Jobben är till synes enkla, men inte för robotar. I den ena måste maskinerna komma över en bråtehög; i en annan måste de klättra upp för en hög stege.

Många av robotarna kämpar för att slutföra uppgifterna utan att fungera fel, frysa eller välta. Av alla utmaningar som de står inför är en av de svåraste, och potentiellt viktigaste att bemästra, helt enkelt att gå över ojämn, ostadig eller bara rörig mark. Men Atlas-robotarna (flera akademiska grupper har gått in i versioner av Boston Dynamics-maskinen) går över sådan terräng med imponerande självförtroende.

Ett par gånger varje dag får publiken se två andra benrobotar tillverkade av Boston Dynamics. I en demo, en fyrbent maskin ungefär lika stor som en häst travar längs banan med flera stora packar; den blandar skickligt fötterna för att hålla sig upprätt när den tillfälligt är obalanserad av en rejäl spark från operatören. I en annan kör en mindre, smidigare fyrbensmaskin upp en högljudd dieselmotor, för att sedan maniskt färdas längs racerbanan som en stor katt och snabbt nå nästan 20 miles per timme.

Publiken, fylld av robotforskare från hela världen och nyfikna medlemmar av allmänheten, flämtar och applåderar. Men gång- och löptekniken som finns i maskinerna som utvecklats av Boston Dynamics är mer än bara bländande. Om det kan förbättras kan dessa robotar, och andra liknande dem, komma ut ur forskningslaboratorier och befolka världen med smarta mobila maskiner. Det hjälper till att förklara varför Boston Dynamics några dagar före DARPA-utmaningen förvärvades av Google.

Del 1
Att lära sig att hoppa

Några månader före DARPA-tävlingen besökte jag Boston Dynamics, som ligger i en vanlig byggnad i utkanten av en lugn industripark i Waltham, Massachusetts, 20 minuters bilresa från Boston. I entrén ser fyrbenta robotar av olika form och storlek ut att stå vakt. Inom den stora verkstaden inuti pysslade dussintals ingenjörer iväg på alla möjliga mekaniska bestar. I ett hörn använde en liten fyrbent maskin med en lång hals och en gripare istället för ett huvud bihanget för att kasta askeblock över golvet.

Alla dessa maskiner har sitt ursprung i banbrytande arbete utfört av Marc Raibert, grundare och teknisk chef för Boston Dynamics. På väggen av Raiberts kontor, bredvid en stor affisch som visar Atlas i stor teknisk detalj, finns en liten affisch som identifierar olika dinosaurier. Han minns att han blev intresserad av djurförflyttning när han studerade för en doktorsexamen vid avdelningen för hjärn- och kognitionsvetenskap vid MIT i slutet av 1970-talet, när två framstående fysiologer kom för att prata om forskning om kattförflyttning. Fascinerad av hur en hjärna kan producera en sådan enkel smidighet, kläckte Raibert en plan för att börja bygga maskiner för att utforska fenomenet när han fick ett jobb som biträdande professor vid Carnegie Mellon University 1980.

Andra akademiker hade byggt gångmaskiner. En del hade många ben, för att se till att lyfta en av dem för att gå framåt inte skulle obalansera dem. Andra rörde sig extremt försiktigt och medvetet för att upprätthålla en osäkra balans. Maskinerna var klumpiga, långsamma och på det hela taget en dålig imitation av de flesta biologiska rörelser. I många fall skulle även den minsta halka eller knuff få dem att ramla omkull.

Raibert demonstrerade en anmärkningsvärd insikt och bestämde sig för att hans första gårobot inte skulle utformas för att undvika den instabilitet som rörelse kan introducera; det skulle omfamna det. Istället för sex ben eller till och med fyra, gav han den bara ett.

Roboten skulle behöva studsa på sitt enda ben, bedöma sin egen rörelse och orientering med varje språng, och snabbt justera positionen för sitt ben och kropp samt mängden energi som benen skulle förbruka vid nästa hopp. Beräkningarna var förvånansvärt enkla.

Anmärkningsvärt nog fungerade roboten perfekt och hoppade runt som en besatt pogopinne. Medan den första versionen var begränsad i sin rörelse, kunde nästa hoppa fritt runt labbet. Jag kan fortfarande minnas — jag tror att det var en dag i augusti 1983, minns Raibert. Vi stod alla bara och flinade. Vi tryckte på maskinen och den åkte tvärs över rummet tills den andra killen fick den och sedan tryckte han tillbaka den.

Raibert visste att ett hoppande djur blir obalanserat när det hoppar och hela tiden måste anpassa sig, och att det använder gravitationen för att förflytta sig. Den rudimentära hopproboten löste samma problem, och den visade hur man bygger smidigare maskiner. Det såg för mig ut som dynamiken i [biologisk rörelse], där det finns mycket energi och rörelse, där det tippas hela tiden - att det verkligen var de egenskaperna du ville få, minns han.

Inspirerade av framgången med tillvägagångssättet började Raibert och hans elever bygga andra benmaskiner med hjälp av vad robotiker kallar dynamisk balans – en förmåga att använda rörelse för att upprätthålla balansen. Nästa version travade med på två fram- och två bakben. Andra robotar hade mycket mer sofistikerade leder, ställdon och kontrollprogramvara.

1986 flyttade Raiberts Leg Lab från CMU till MIT, där det utvecklade andra robotar som kunde gå, studsa, springa och hoppa på sätt som ofta verkade konstigt igenkännbara. Maskiner hade namn inspirerade av biologiska motsvarigheter. Spring Flamingo och Spring Turkey strövade runt i labbet som jättefåglar, medan Uniroo hoppade fram med en svans för balans, som en besvärlig, enbent känguru.

Raibert grundade Boston Dynamics 1995, först för att sälja simuleringsprogram som utvecklats i hans labb. Men företaget konsulterade också om kommersiella robotprojekt, inklusive utvecklingen av AIBO och QRIO, robotleksaker som Sony tillverkade 1999 respektive 2003. Och ett kontrakt med DARPA, 2003, fick Boston Dynamics att börja tillverka sina egna benmaskiner.

Del 2
Att lära sig springa

Stor hund

2003, beväpnad med ett DARPA-kontrakt för att skapa en prototypfordon som kan följa trupper över marken otillgänglig för hjul- eller bandfordon, började Boston Dynamics utveckla BigDog, en fyrbensmaskin ungefär lika stor som en stor Berner Sennenhund. Roboten var tvungen att kunna navigera i rörig, oförutsägbar verklig terräng. Detta innebar att den behövde vara tuff, exceptionellt smidig, kunna bära sin egen kraftkälla och kunna känna av sin egen rörelse – och miljön – mer detaljerat än någon av de gångmaskiner som byggdes tidigare.

De flesta laboratoriegrejer vi hade gjort fram till BigDog var i en ganska godartad labbmiljö, säger Raibert. Det var rent, det var torrt och det var platt.

Den resulterande maskinen drevs av en gokartmotor, och den använde 69 sensorer för att övervaka rörelsen av dess ben, krafterna som utövades på dessa extremiteter och faktorer inklusive temperatur och hydraultryck. Genom att använda dynamisk balans kunde den gå över sand, snö och till och med is. Mest spektakulärt är att den kunde hålla sig på fötterna när den fick en stark spark. BigDog kan fjärrstyras, men dess balanseringsbeteende, liksom andra Boston Dynamics-robotar, styrs automatiskt av en inbyggd dator.

LS3

Med ytterligare militär finansiering, inklusive lite pengar från marinsoldaterna, började Boston Dynamics bygga en större, kraftfullare version av BigDog 2009. Dubbad Alpha Dog, men officiellt kallad Legged Squad Support System, eller LS3, är roboten storleken på en häst och kan bära 180 kilo, eller fyra marinsoldaters fullastade ryggsäckar, upp till 20 miles om dagen över ojämn terräng.

Liksom BigDog använder LS3 ett laseravståndsinstrument, eller lidar, och stereovideokameror i huvudet för att identifiera hinder, kartlägga dess omgivningar och följa en soldat som går upp till 45 meter framåt, identifierad av en reflekterande lapp. Förra sommaren började marinsoldaterna testa LS3 vid en ökenbas i Kalifornien och i skogen vid Fort Devens i Massachusetts. Dessa tester har involverat simulerade stridsuppdrag med LS3 som en packmula.

Vildkatt

DARPA gav också finansiering till en mer mobil, smidig och snabbare fyrbensrobot. Den första versionen, Cheetah, kan springa i 47 kilometer i timmen på ett löpband samtidigt som den är fäst vid en stabiliserande stång. Boston Dynamics utvecklade en större, obunden version, kallad WildCat, 2013. Liksom Cheetah böjer WildCat sin kropp för att förlänga sitt steg och öka hastigheten. Den kan köras i 26 kilometer i timmen med fjärrkontroll. Boston Dynamics har lagt ut video online av roboten som gränsar och galopperar runt sin parkeringsplats.

Del 3
Att lära sig gå

1989 hjälpte en av Raiberts doktorander, Rob Playter, som hade varit mästargymnast i Ohio State, honom att bygga en frigående, tvåbensrobot som kunde utföra kullerbyttor och andra akrobatiska bedrifter på ett löpband eller när han sprang runt labb. Kullerbyttan visade upp sig, erkänner Raibert. Men det visade en nivå av kontroll som lovade att hjälpa robotar att navigera i mycket svårare terräng. Den antydde också hur maskiner en dag kan röra sig genom miljöer som är designade för människor. Hjul är ett bra sätt att röra sig när marken framför är platt och klar, men ett hjul kan inte lätt klättra i trappor eller ta sig förbi en vältad stol. Om robotar någonsin kommer att användas allmänt i våra hem, är det troligt att de kommer att behöva gå.

Eftersom vi arrangerar våra hus så att de passar människor är det mycket viktigt att robotarna har samma förmåga att röra sig och manipulera som människor har, säger Gill Pratt, DARPA-programledaren med ansvar för robotutmaningen. Ben kan ge en enorm fördel jämfört med hjul och band; ett ben behöver inte en kontinuerlig väg av stöd; ett ben kan kliva över saker, vilket är en extraordinär sak att göra.

Den specifika inspirationen för DARPA Robotics Challenge kom under dramatiska omständigheter, när en jordbävning inträffade utanför Japans kust i mars 2011. Försök att städa upp den skadade kärnreaktorn i Fukishima lyfte fram begränsningarna hos de bästa befintliga robotarna och visade behovet av maskiner som bättre kan navigera i den mänskliga världen. DARPA utarbetade sin utmaning för att inspirera robotar som kunde hjälpa till om en sådan situation skulle inträffa igen. Robotarna måste inte bara kunna arbeta i miljöer utformade för människor utan också att navigera på de platserna efter att de blivit allvarligt skadade.

Atlas presterade bra i Miami, men det är långt ifrån perfekt. För det första begränsar kraften som behövs för att driva dess hydraulsystem dess användbarhet. Robotarna som användes i tävlingen krävde var och en externa generatorer för att driva sin hydraulik; generatorerna är för stora för att bära, relativt ineffektiva och högljudda. Även om framtida versioner av Atlas är tänkta att bära sin egen kraftkälla, kommer detta fortfarande att vara en rudimentär lösning tills forskare kan komma på hur man kan göra maskinerna mycket mer energieffektiva.

Perception är en annan stor utmaning. Atlas använder dynamisk balans, och den kan skanna omgivningen efter hinder, men sättet den använder denna information för att navigera är fortfarande långsam och grov. Om du ser någon som dansar eller klättrar eller gör parkour är vi otroligt långt ifrån en robot som kan göra det, säger Pratt.

Under DARPA-utmaningen opererade Atlas delvis självständigt genom att teamen kunde ge specifika instruktioner och beordra den att utföra en uppgift, men mycket av robotens beteende, inklusive dess ombalansering på en del av en sekund, skedde automatiskt. DARPAs vision är att räddningsrobotar ska fungera på detta sätt, med människor som ger vägledning och assistans men robotarna fungerar autonomt när det behövs, till exempel när en kommunikationslänk misslyckas. Men om robotar någonsin ska utföra de typer av uppgifter som vissa föreställer sig – som att hjälpa äldre i hemmet – kommer de att behöva ha förmågan att arbeta med ännu större autonomi.

Tillbaka i pitlane, nära ett garage som leds av ett supportteam från Boston Dynamics, säger Raibert att människor och djur har extraordinär rörlighet, mer än något mänskligt tillverkat fordon, så det är vettigt att göra robotar med ben. Låt mig bara säga att jag tror att robotteknikens framtid måste gå dit, säger han, precis innan en av hans robotar börjar gå säkert över en bråtehög. Du kan göra saker nu utan det, men så småningom kommer du verkligen att vilja det, och det är vad vi hoppas kunna möjliggöra.

Berättelse av
Will Knight

Front End-utveckling av
Drew Chandler

Huvudfotograf av
Adam DeTour

Ytterligare fotografi och video med tillstånd av
Boston Dynamics

Kreativ chef
Eric Mongeon

Senior webbproducent
Kyanna Sutton

Senior mjukvaruutvecklare
Molly Frey

Dölj