Роботы против животных: кто победит в гонке в естественной среде?

краткое содержание: Исследователи выяснили, могут ли современные роботы превосходить биологические организмы по скорости и маневренности. Исследование пришло к выводу, что, несмотря на достижения в области техники, животные по-прежнему превосходят роботов по эффективности локомотивов в естественных условиях.

Исследователи обнаружили, что интеграция компонентов роботов не соответствует последовательному процессу на уровне системы, наблюдаемому у животных. Это видение стимулирует разработку более интегрированных и адаптируемых роботизированных систем, вдохновленных замыслом природы.

Ключевые факты:

1. Роботизированная и биологическая эффективность: Исследование подтверждает, что отдельные роботизированные подсистемы, такие как мощность и привод, могут соответствовать или превосходить свои биологические аналоги, однако роботы не работают так же хорошо, как животные, когда эти системы объединены.
2. Вдохновляющие биологические модели: Исследование показывает, как животные, такие как пауки-волки и тараканы, превосходно справляются со сложными ландшафтами и задачами благодаря своим интегрированным и универсальным биологическим системам.
3. Будущие инженерные тенденции: Результаты побуждают инженеров переосмыслить конструкцию роботов и призывают к более интегрированному подходу, подобному биологическим системам, где различные функции объединены в одних компонентах.

источник: Университет Колорадо

Возможно, вопрос представляет собой версию сказки о черепахе и зайце в XXI веке: кто победит в беге между роботом и животным?

В новой перспективной статье команда инженеров из США и Канады, в том числе робототехник Каушик Джаярам из Университета Колорадо в Боулдере, решила ответить на эту загадку.

Группа проанализировала данные десятков исследований и пришла к решительному «нет». Почти во всех случаях биологические существа, такие как гепарды, тараканы и даже люди, способны превосходить своих роботизированных собратьев.

Исследователи под руководством Сэмюэля Бордена из Вашингтонского университета и Максвелла Доннелана из Университета Саймона Фрейзера опубликовали свои выводы на прошлой неделе в журнале. Научная робототехника.

«Как инженера это немного раздражает», — сказал Джаярам, ​​доцент кафедры машиностроения Пола М. Рэди в Университете Колорадо в Боулдере. «За 200 лет обширных инженерных разработок мы смогли отправить космические корабли на Луну, Марс и многое другое. Но вызывает недоумение тот факт, что у нас еще нет роботов, которые гораздо лучше передвигаются в естественной среде, чем биологические системы».

Он надеется, что это исследование вдохновит инженеров научиться создавать более умных и адаптируемых роботов. Исследователи пришли к выводу, что неспособность роботов превзойти животных не связана с недостатком каких-либо механизмов, таких как аккумуляторы или двигатели. Вместо этого инженерам может быть сложно обеспечить эффективную совместную работу этих частей.

Это занятие — одно из главных увлечений Джаярама. В его лаборатории в кампусе Калифорнийского университета в Боулдере обитает множество жутких ползающих животных, в том числе несколько мохнатых пауков-волков размером примерно с полдоллара.

«Пауки-волки — естественные охотники», — сказал Джаярам. «Они живут под камнями и могут с невероятной скоростью бегать по сложной местности, чтобы поймать добычу».

Он представляет себе мир, в котором инженеры создают роботов, которые больше похожи на этих необычных пауков.

«Животные в какой-то степени являются воплощением этого окончательного принципа проектирования, системы, которая хорошо работает вместе», — сказал он.

Энергия тараканов

Вопрос «Кто бегает лучше, животные или роботы?» Это сложно, потому что сама операция сложна.

В предыдущем исследовании Джаярам и его коллеги из Гарвардского университета разработали группу роботов, которые пытаются имитировать отвратительное поведение тараканов. Разработанная командой модель HAMR-Jr умещается в монету и работает со скоростью, эквивалентной скорости гепарда. Но, как отметил Джаярам, ​​хотя HAMR-Jr может двигаться вперед и назад, он плохо передвигается из стороны в сторону или по пересеченной местности.

Напротив, скромный таракан без проблем бегает по поверхностям, от фарфора до грязи и гравия. Они также могут разрушать стены и протискиваться через небольшие трещины.

Чтобы понять, почему такое разнообразие является проблемой для робототехники, авторы нового исследования разделили эти машины на пять подсистем, включая силовую, рамную, приводную, сенсорную и контрольную. К удивлению группы, некоторые из этих подсистем оказались не такими, как у животных.

Например, высококачественные литий-ионные аккумуляторы могут обеспечивать до 10 киловатт энергии на каждый килограмм (2,2 фунта) их веса. Напротив, ткани животных производят примерно десятую часть этого количества. Между тем, мышцы не могут даже приблизиться к абсолютному крутящему моменту многих двигателей.

«Но на системном уровне роботы не очень хороши», — сказал Джаярам. «Мы сталкиваемся с присущими дизайну компромиссами. Если мы попытаемся улучшить что-то одно, например, скорость движения, мы можем потерять что-то другое, например способность поворачивать.

Чувства паука

Так как же инженеры могут создавать роботов, которые, как и животные, представляют собой нечто большее, чем просто сумму своих частей?

Джаярам отметил, что животные не делятся на отдельные подсистемы так, как роботы. Например, квадрицепсы приводят в движение ваши ноги так же, как приводы HAMR-Jr перемещают конечности. Но квадрицепсы также производят свою собственную силу, расщепляя жиры и сахара и интегрируя нервные клетки, которые могут чувствовать боль и давление.

Джаярам считает, что будущее робототехники может быть ограничено «функциональными подразделениями», которые делают одно и то же: вместо того, чтобы хранить источники питания отдельно от двигателей и печатных плат, почему бы не объединить их все в одну часть?

В статье 2015 года ученый-компьютерщик Николас Куриэль, который не участвовал в текущем исследовании, предложил такие теоретические «робототехнические материалы», которые будут действовать больше как квадроциклы.

Инженеры еще далеки от достижения этой цели. Некоторые, например Джаярам, ​​предпринимают шаги в этом направлении, как, например, созданный в его лаборатории шарнирно-членистоногий робот-насекомое (CLARI), многоногий робот, который движется немного как паук.

Джаярам объяснил, что CLARI имеет модульную конструкцию, каждая из ног которого действует как автономный робот со своим двигателем, датчиками и схемами управления. Новая улучшенная версия команды, названная mCLARI, может двигаться во всех направлениях в ограниченном пространстве, впервые среди четвероногих роботов.

Это еще кое-что, чему такие инженеры, как Джаярам, ​​могут поучиться у таких типичных охотников, пауков-волков.

«Природа – действительно полезный учитель».

О новостях исследований робототехники и нейротехнологий

автор: Дэниел Стрейн
источник: Университет Колорадо
коммуникация: Дэниел Стрейн — Университет Колорадо
картина: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Исходный поиск: Открытый доступ.
«Почему животные могут превосходить роботов?«Каушик Джаярам и др. Научная робототехника

Резюме

Почему животные могут превосходить роботов?

Животные бегают гораздо лучше, чем роботы. Разница в производительности возникает в таких важных аспектах, как маневренность, дальность полета и долговечность.

Чтобы понять причины этого разрыва в производительности, мы сравниваем естественные и искусственные технологии в пяти важнейших операционных подсистемах: силовая, рама, срабатывание, распознавание и управление.

За редким исключением, инженерные технологии соответствуют своим биологическим аналогам или превосходят их.

Мы пришли к выводу, что преимущество биологии перед инженерией возникает в результате лучшей интеграции подсистем, и определили четыре ключевых препятствия, которые должны преодолеть робототехники.

Для достижения этой цели мы выделяем перспективные направления исследований, которые имеют огромный потенциал, чтобы помочь будущим роботам достичь производительности на уровне животных.