19 Декабря 2016

Инженер-машиностроитель Сэнгбаи Ким создал звероподобную машину для оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. В недалёком будущем, первыми спасателями в зоне стихийного бедствия могут оказаться...

Совершая скачок в био-подобной робототехнике

Совершая скачок в био-подобной робототехнике


Инженер-машиностроитель Сэнгбаи Ким создал звероподобную машину для оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. 


В недалёком будущем, первыми спасателями в зоне стихийного бедствия могут оказаться четвероногие, похожие на собак роботы, способные прокладывать путь сквозь огонь или минное поле, вставать на задние лапы для того, чтобы повернуть раскалённую ручку двери или в прыжке пробить стену.


«Подобные роботы-спасатели могут поступить на службу уже в ближайшие 5 – 10 лет», - говорит Сэнгбаи Ким, профессор отделения механики и машиностроения MIT (Massachusetts Institute of Technology). Он и его коллеги из Лаборатории биометрической робототехники нацелены на это, заимствуя принципы из биомеханики, человеческих способов принятия решений и механического проектирования для создания робота, что в итоге, по словам профессора Кима, позволит подобному устройству выполнять реальную физическую работу вроде открывания дверей, пробитие стен или перекрытие клапанов-задвижек. 


«К примеру, здание заполнено токсичным газом, а вам требуется закрыть клапан внутри этого здания, направлять для этой работы людей очень опасно», - говорит Ким. «Сейчас нет такого универсального робота, который мог бы выполнить эту работу. Я хочу создать роботизированного спасателя, который может сделать больше, чем человек, и тем самым поможет людям».   

Для выполнения этой задачи Ким, получивший свою должность в этом году, работает над соединением двух главных проектов в своей лаборатории: MIT-Cheetah (MIT-гепард), четвероного 70-фунтового (31,5 кг) робота, способного автономно бегать и перепрыгивать через препятствия, и HERMES, двуного удалённо управляемого робота, схожего с управляемой куклой или роботизированным «Аватаром».


«Я представляю себе робота, который может выполнять какую-то физическую, двигательную работу», говорит Ким. «Каждый пытается найти сферы, работа в которых одновременно увлекательна для вас, и это очень практично и полезно. Вот, например, многие люди увлечены просмотром спортивных состязаний, потому что, когда вы смотрите на кого-то, кто внезапно начинает двигаться и ускоряться, это, гипотетически, запускает работу «зеркальных нейронов» вашего мозга, и вы чувствуете волнение в этот момент. Что касается меня, то, когда мои роботы начинают двигаться и при этом удерживать равновесие, я становлюсь необычайно взволнован. И эти ощущения – лучшее вознаграждение от моих исследований».


Сержант-инструктор становится робототехником

Ким родился в Сеуле, Южная Корея, где, как он говорит, мама помнит его как мастера на все руки. «Всё что имело винты, я непременно разбирал на части», говорит Ким. «Мама говорила, что поначалу я всё ломал, но потом всё это снова работало».

Он обучался в университете Йонсей здесь же в Сеуле, где изучал машиностроение. На втором годе обучения, как того требует закон страны, он и другие его сверстники студенты мужского пола были призваны на службу в армию Южной Кореи. В армии Ким прослужил сержантом-инструктором в течение 2,5 лет.


«Мы обучали [новобранцев] каждой мелочи, необходимой для солдата, например, как правильно одевать и носить форму, застёгивать ремень, даже тому, как сжимать кулак при ходьбе», - вспоминает Ким. «День начинался в 5:30 и завершался только после того, когда все засыпали, примерно около 22:30, при этом никаких пауз или перерывов. Сержанты-инструкторы известны своей практичностью, и тому есть причина – им необходимо выдерживать очень плотный распорядок дня».

После выполнения воинского долга Ким вернулся к обучению в университет Йонсей, где тяготел к робототехнике, хотя формально в программе обучения не было такого предмета. Он оказался участником учебного проекта, в ходе которого от студентов требовалось создать роботов, способных выполнять специфические задачи, такие как, например, захват и удержание флага, и затем соревноваться робот с роботом, это состязание было очень похоже на то, которое очень популярно на курсе 2.007 в MIT (проектирование и производство), в преподавании которого Ким сейчас участвует.  

«Учебный проект был действительно хорошим стимулом в становлении моей карьеры, он привлёк меня к изучению робототехники, её механистической стороны», говорит Ким.


Мечта, вдохновлённая примерами живой природы

В последний год обучения в колледже Ким разрабатывал относительно дешёвый 3D-сканер, который он и три других студента коммерциализировали в рамках стартап-компании под названием Solutionix, которая с тех пор развивается на основе проекта Кима. Тем не менее, уже на ранних стадиях развития компании в период сбора инвестиций, Ким пришёл к определённым выводам для себя. 

«Как только он был выпущен, я утратил волнение, потому я сделал все необходимые вычисления», говорит Ким. «Я был увлечён именно расчётами, проектированием. И спустя год после запуска стартапа я осознал, что мне необходимо трудиться скорее в самом начале процесса проектирования, чем в процессе созревания продукта».

После старта продаж он покинул страну и направился в Стэндфордский университет, где поступил на отделение механики и машиностроения. Здесь он впервые почувствовал вкус свободы проектирования.


«Это был опыт, меняющий жизнь», говорит Ким. «Это была более свободная, уважительная к творчеству среда в сравнении с Кореей, где очень консервативная культура. Это был настоящий культурный шок».

Ким присоединился к лаборатории Марка Катковски, профессора технологии, искавшего подходы для проектирования био-подобных роботов. В частности, команда пыталась создать робота-верхолаза, имитирующего ящерицу геккон, которая использует крохотные волоски на лапах для того, чтобы карабкаться по вертикальной поверхности. Ким применил этот волосяной механизм для робота и обнаружил, что это работает.


«Это было в 2:30 ночи, и я всё ещё был в лаборатории и не мог спать. Я перепробовал много поверхностей и моё сердце колотилось», вспоминает Ким. «На одну из запасных дверей с высокими окнами робот вскарабкался ровно, используя первые в мире направленные прилипатели, которые я изобрёл. Мне так хотелось показать это другим, я отправил им видео той ночью».

Он и его коллеги запустили стартап для дальнейшего развития робота-ящерицы, но Ким снова утратил увлечённость пребывания в лаборатории. Он вскоре покинул компанию, заняв постдокторантскую должность в Гарвардском университете, где он помогал конструировать Meshworm (червя), мягкого, автономного робота, способного медленно передвигаться по поверхности как червь. Но и тогда Ким присматривался к более крупным разработкам.


«Я стал всё больше уходить от маленьких роботов, потому что им очень сложно выполнять реальную физическую работу», говорит Ким. «И таким образом я решил создавать более крупного, четвероного робота для физических задач уровня человека – это долгосрочная мечта».


В поисках принципов

В 2009 году Ким принял приглашение стать ассистентом профессуры в отделении механики и машиностроения MIT, где он основал свою Лабораторию биометрической робототехники и поставил конкретную исследовательскую цель: спроектировать и создать четвероногого робота, подобного гепарду.

«Мы выбрали гепарда, потому что это самое быстрое среди всех обитающих на Земле животное. Мы тщательно изучали его характеристики, но существует много животных с характеристиками, похожими [на гепарда]», рассказывает Ким. «Есть некоторые тонкие различия, но, вероятно, ни одного, по которому вы сможете изучить принципы для проектирования».


На самом деле, Ким быстро выяснил, что воспроизводство в роботе определённых видов поведения животного в некоторых случаях может быть не самым лучшим способом.

«Хороший пример для иллюстрации – это бег галопом», говорит Ким. «Это красиво, и от лошади, бегущей галопом, вы слышите – да-да-рамп, да-да-рамп. Мы были просто одержимы, чтобы воссоздать это. Но, как оказалось, галоп даёт мало преимуществ в мире робототехники».

Животные используют конкретные виды походки или бега при заданной скорости в соответствии с комплексом взаимодействия мышц, сухожилий и костей. Тем не менее, Ким обнаружил, что робот-гепард, приводимый в движение электрическими двигателями, демонстрирует кинетику, заметно отличающуюся от своего природного прототипа. Например, в случае с более мощными моторами, робот был способен устойчиво бежать рысью с постоянной скоростью 14 миль в час – существенно быстрее, чем животные могут бежать рысью в природе.


«Нам необходимо понять какой главенствующий принцип нам нужен, и мы задались вопросом: существуют ли сдерживающие факторы в биологических системах, и мы можем ли мы снять их с помощью инженерии?» - поясняет Ким. «Это сложный процесс – выяснить принципы, пригодные для всеобъемлющего объяснения различий между машинами и животными. Иногда увлечение характеристиками животных может отрицательно сказаться на прогрессе в робототехнике».


«Секретный рецепт»

Помимо конструирования роботов в лаборатории, Ким обучает несколько потоков в MIT, включая 2.007 (проектирование и производство), в преподавании которого он участвует последние пять лет.

Это по-прежнему моя любимая дисциплина, где студенты действительно выходят из режима «домашняя работа-экзамены», и имеют возможность бросить себе вызов и создать свои собственные проекты», говорит Ким. «Сегодняшние студенты выросли в созидательной среде, где есть 3D-принтеры и Лего, и они ожидали чего-то вроде курса 2.007 (проектирование и производство)».


Ким также преподаёт созданный им в 2013 году курс Биоподобная робототехника, в ходе которого 40 студентов образуют команды по 4 человека для того, чтобы спроектировать и создать робота на основе биомеханики и движениях животных. В прошлом году студенты представили свои проекты в виде выставки в Вестибюле 7, среди них были метательная машина, оптимизирующая траекторию пинательная машина и робот-кенгуру, способный скакать на беговой дорожке.

За рамками лаборатории и преподавания, Ким исследует другие человеческие двигательные способности: теннисные удары, которые он тренирует последние 10 лет.   

«Во многих человеческих движениях есть некоторые секретные рецепты, потому что мышцы имеют особые свойства, и если вы не знакомы с ними достаточно, то либо будете выполнять их неуклюже и получите травму», говорит Ким. «Все они основаны на мышечной функции, и я продолжаю исследовать этот мир и мир робототехники тоже».


Автор: Дженнифер Чу | MIT News Office 

Источник: MIT

Перевод: NewIndustryNews.ru

Комментарии ()
Текст сообщения*
Загрузить файл или картинкуПеретащить с помощью Drag'n'drop
Перетащите файлы
Ничего не найдено
Отправить Отменить

Также в рубрике

Wearable robotic tools for surgery
17 Марта 2017
Wearable robotic tools for surgery

A collaborative team of researchers is to develop a wearable robotic system for minimally invasive surgery, also known as keyhole surgery, that will offer surgeons natural and dexterous movement as well as the ability to 'sense', 'see', control and safely navigate through the surgical environment.
Brain-controlled robots
8 Марта 2017
Brain-controlled robots

For robots to do what we want, they need to understand us. Too often, this means having to meet them halfway: teaching them the intricacies of human language, for example, or giving them explicit commands for very specific tasks.
Shape-shifting molecular robots respond to DNA signals
7 Марта 2017
Shape-shifting molecular robots respond to DNA signals

A research group at Tohoku University and Japan Advanced Institute of Science and Technology has developed a molecular robot consisting of biomolecules, such as DNA and protein. The molecular robot was developed by integrating molecular machines into an artificial cell membrane. It can start and stop its shape-changing function in response to a specific DNA signal.