самотрансформирующихся роботов-блоков прыгают, вращаются, переворачиваются и идентифицируют друг друга | Новости Массачусетского технологического института
Стаи простых, взаимодействующих роботов потенциально могут разблокировать скрытые способности для выполнения сложных задач. Однако заставить этих роботов достичь настоящего роевого разума координации оказалось препятствием.
В попытке изменить это, команда из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) придумала удивительно простую схему: самособирающиеся роботизированные кубы, которые могут перелезать друг через друга и обходить друг друга, прыгать по воздуху и кататься по земле.
Через шесть лет после первой итерации проекта роботы теперь могут «общаться» друг с другом с помощью системы, похожей на штрих-код, на каждой стороне блока, которая позволяет модулям идентифицировать друг друга. Автономный парк из 16 блоков теперь может выполнять простые задачи или действия, такие как построение линии, следование по стрелкам или отслеживание света.
Внутри каждого модульного «М-блока» находится маховик, который вращается со скоростью 20 000 оборотов в минуту, используя угловой момент, когда маховик заторможен. На каждом ребре и каждой грани есть постоянные магниты, которые позволяют любым двум кубикам прикрепляться друг к другу.
Хотя с кубами не так легко манипулировать, как, скажем, с кубами из видеоигры «Minecraft», команда надеется, что их можно будет эффективно использовать при проверке и, в конечном итоге, при реагировании на стихийные бедствия. Представьте себе горящее здание, в котором исчезла лестница. В будущем вы можете просто бросать М-блоки на землю и наблюдать, как они строят временную лестницу для подъема на крышу или спуска в подвал для спасения пострадавших.
«M означает движение, магнит и магию, — говорит профессор Массачусетского технологического института и директор CSAIL Даниэла Рус. «Движение», потому что кубики могут двигаться, прыгая. «Магнит», потому что кубы могут соединяться с другими кубами с помощью магнитов, а после соединения они могут двигаться вместе и соединяться, чтобы собирать структуры.
«Волшебство», потому что мы не видим никаких движущихся частей, и кажется, что куб приводится в движение магией».
Хотя механизм довольно сложен внутри, снаружи все наоборот, что обеспечивает более прочные соединения. Помимо проверки и спасения, исследователи также предполагают использование блоков для таких вещей, как игры, производство и здравоохранение.
Воспроизвести видео
«Уникальность нашего подхода заключается в том, что он недорог, надежен и потенциально легче масштабируется до миллиона модулей», — говорит аспирант CSAIL Джон Романишин, ведущий автор новой статьи о системе. «М-блоки могут двигаться обычным образом. Другие роботизированные системы имеют гораздо более сложные механизмы движения, требующие много шагов, но наша система более масштабируема».
Романишин написал статью вместе с Русом и студентом бакалавриата Мичиганского университета Джоном Мамишем. Они представят доклад о М-блоках на Международной конференции IEEE по интеллектуальным роботам и системам в ноябре в Макао.
Предыдущие модульные робототехнические системы обычно выполняли движение, используя модульные модули с небольшими роботизированными манипуляторами, известными как внешние исполнительные механизмы. Эти системы требуют большой координации даже для самых простых движений, с несколькими командами для одного прыжка или прыжка.
Что касается связи, другие попытки включали использование инфракрасного света или радиоволн, которые могут быстро стать неуклюжими: если у вас много роботов на небольшой площади, и все они пытаются посылать друг другу сигналы, он открывается. вверх по запутанному каналу конфликтов и путаницы.
Когда система использует радиосигналы для связи, сигналы могут мешать друг другу, когда в небольшом объеме имеется много радиомодулей.
Еще в 2013 году команда создала механизм для М-блоков. Они создали шестигранные кубы, которые перемещаются с помощью так называемых «сил инерции». Это означает, что вместо использования движущихся рычагов, которые помогают соединять конструкции, блоки имеют внутри себя массу, которую они «бросают» на сторону модуля, что заставляет блок вращаться и двигаться.
Каждый модуль может двигаться в четырех основных направлениях при размещении на любой из шести граней, что приводит к 24 различным направлениям движения. Без маленьких рук и придатков, торчащих из блоков, им намного проще оставаться без повреждений и избегать столкновений.
Зная, что команда преодолела физические препятствия, по-прежнему оставалась критическая проблема: как заставить эти кубы взаимодействовать и надежно идентифицировать конфигурацию соседних модулей?
Романишин придумал алгоритмы, призванные помочь роботам выполнять простые задачи или «поведение», что привело их к идее системы, похожей на штрих-код, в которой роботы могут определять идентичность и лицо других блоков, к которым они подключены.
В одном из экспериментов команда заставила модули превратиться в линию из случайной структуры, и они наблюдали, могут ли модули определить конкретный способ, которым они связаны друг с другом. выбрать направление и катиться в этом направлении, пока они не окажутся в конце линии.
0003
По сути, блоки использовали конфигурацию того, как они связаны друг с другом, чтобы направлять движение, которое они выбрали для перемещения, и 90 процентам М-блоков удалось попасть в линию.
Команда отмечает, что сборка электроники была очень сложной задачей, особенно при попытке разместить сложное оборудование в таком маленьком корпусе. Чтобы сделать рои M-Block более масштабными, команда хочет именно этого — все больше и больше роботов создают большие рои с более сильными возможностями для различных структур.
Проект частично поддержали Национальный научный фонд и Amazon Robotics.
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
BBC
BBC Click рассказывает, как исследователи CSAIL разработали роботизированные кубы, называемые М-блоками, которые могут самостоятельно собираться в различные структуры. «М-блоки создают более гибкие системы, — говорит профессор Даниэла Рус. «Они умеют сглаживать себя. Они умеют суммироваться.
Они могут ползать по башням или мостам. Они также могут проходить через крошечные трубы».
Полная история через BBC →
USA Today
В этом видео USA Today рассказывается, как исследователи CSAIL разработали набор роботов-кубов, которые могут прыгать в воздухе и карабкаться друг над другом. Исследователи надеются, что в будущем кубы можно будет использовать в ситуациях реагирования на стихийные бедствия, например, для «постройки временной лестницы в горящем здании».
Полная история через USA Today →
TechCrunch
Система небольших блочных роботов, разработанная исследователями Массачусетского технологического института, теперь может самостоятельно собираться для формирования новых структур, сообщает Даррелл Этерингтон для TechCrunch . Этерингтон объясняет, что «блоки теперь могут использовать свою систему связи и свою способность перемещаться для выполнения задач, включая создание различных форм или даже следование стрелкам или световым сигналам».
Полная история через TechCrunch →
The Verge
Репортер Verge Джей Питерс рассказывает, как исследователи CSAIL представили новую систему роботизированных кубов, называемых M-Blocks, которые могут «двигаться, создавая импульс с помощью внутреннего маховика, и могут взбираться друг на друга и вокруг друг друга с помощью магнитов».
Полная история на The Verge →
Mashable
Mashable показывает, как исследователи CSAIL разработали самособирающиеся роботизированные кубы, которые могут прыгать, вращаться и переворачиваться. «В блоках используется новая, магнитная и точная система», — объясняет Mashable . «Это позволяет блокам следовать трехмерным путям, формировать линии и группы на основе агрегации света».
Полная история через Mashable →
Ссылки по теме
- Джон Романишин
- Даниэла Рус
- Лаборатория распределенной робототехники
- Лаборатория компьютерных наук и искусственного интеллекта
- Кафедра электротехники и компьютерных наук
- Инженерная школа
Детеныши богомолов используют вращение в воздухе во время прыжков для точного приземления
Молодой богомол.
Предоставлено: Малкольм Берроуз и Грегори Саттон.Чем ты меньше, тем труднее не потерять контроль над собой во время прыжка. Незначительные ошибки в движущей силе относительно центра масс приводят к тому, что большинство прыгающих насекомых, таких как блохи, цикадки и кузнечики, бесконтрольно вращаются во время прыжка.
До сих пор ученые исходили из гипотезы, что такие насекомые не могут этого контролировать и непредсказуемо вращаются с частыми аварийными приземлениями.
Но новый высокоскоростной видеоанализ прыжков бескрылых детенышей богомолов выявил технику, которая на самом деле использует вращательное движение, позволяя им точно прыгать, одновременно перемещая свое тело в воздухе, чтобы соответствовать намеченному. цель — все менее чем за десятую долю секунды.
Исследователи использовали тонкий черный стержень, удаленный от платформы, на которой сидели богомолы, в качестве мишени для прыжков.
Во время прыжков насекомые вращали ногами и брюшком одновременно, но в разных направлениях — меняя вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки между этими частями тела в воздухе — для управления угловым моментом или «вращением».
Это позволяло им перемещать свое тело в воздухе, чтобы точно выровняться с целью, на которую они решили приземлиться.
И все это богомолы проделали с феноменальной скоростью. Весь прыжок от взлета до приземления длился около 80 миллисекунд — буквально быстрее, чем мигание человеческого глаза.
Сначала ученые полагали, что богомолы просто научились смягчать естественное вращение, возникающее, когда такие маленькие насекомые прыгают на большой скорости. Замедленное видео молодого богомола, прыгающего на черный жезл, как часть исследования. Насекомые вращают ногами и брюшком, чтобы контролировать угловой момент или «вращение», находясь в воздухе. Предоставлено: Малкольм Берроуз и Грегори Саттон.
Однако при ближайшем рассмотрении они поняли, что богомол на самом деле преднамеренно вводит контролируемое вращение в прыжок в точке взлета, а затем манипулирует этим угловым моментом в воздухе посредством замысловатых вращений своих конечностей. чтобы изменить положение тела в воздухе, чтобы оно с предельной точностью захватило цель.
Для исследования, опубликованного сегодня в журнале Current Biology , исследователи проанализировали в общей сложности 381 замедленное видео 58 молодых богомолов, прыгающих к цели, что позволило им отработать сложную механику, используемую для правильного приземления. вверх и в цель практически каждый раз.
«Мы предполагали, что вращение плохое, но мы ошибались — молодые богомолы намеренно создают вращение и используют его в воздухе, чтобы вращать свое тело, чтобы приземлиться на цель», — сказал автор исследования профессор Малкольм Берроуз с факультета зоологии Кембриджского университета. , который проводил исследование с доктором Грегори Саттоном из Бристольского университета.
«Насколько мы можем судить, эти насекомые контролируют каждый шаг прыжка. Нет неконтролируемого шага, за которым следует компенсация, как мы изначально думали», — сказал он.
На самом деле, когда исследователи приближали цель, богомолы вращались в два раза быстрее, чтобы гарантировать, что их тела будут параллельны цели, когда они схватят ее.
Для Саттона исследование похоже на бухгалтерский учет, только с распределением импульса вместо денег. «Богомол придает себе некоторый угловой момент при взлете, а затем распределяет этот импульс, находясь в воздухе: определенный объем в передней ноге в одной точке; определенный объем в брюшной полости в другом — и то, и другое стабилизирует тело. и изменить его ориентацию, что позволит ему достичь цели под правильным углом, чтобы схватиться», — сказал он. Исследователи проверили, что произойдет, если они ограничат способность богомола использовать и распространять «вращение», склеив сегменты брюшка вместе, ожидая, что богомол выйдет из-под контроля. Однако богомолы все же достигли цели, но не смогли. не повернули тела в правильное положение — так врезались в него головой и снова отскочили. Кредит: Малкольм Берроуз и Грегори Саттон
Исследователи проверили, что произойдет, если они ограничат способность богомола запрягать и распространять «вращение» на конечности во время прыжка.
Для этого они склеили сегменты брюшка вместе, ожидая, что богомол выйдет из-под контроля.
Любопытно, что точность прыжка не пострадала. Богомолы все же достигли цели, но не смогли повернуть свои тела в правильное положение — поэтому врезались в нее головой и снова отскакивали.
Следующим большим вопросом для исследователей является понимание того, как богомол достигает своей акробатики в воздухе на такой необычайной скорости. «Мы можем видеть, как богомол выполняет сканирующее движение головой перед прыжком. Предсказывает ли он все заранее или молниеносно вносит поправки во время прыжка? Мы не знаем ответа между этими крайними вариантами, — сказал Берроуз.
Саттон добавил: «Теперь мы хорошо понимаем физику и биомеханику этой точной воздушной акробатики. Но поскольку движения такие быстрые, нам нужно понять, какую роль мозг играет в их контроле, когда движения уже выполняются. »
Саттон считает, что область робототехники может извлечь уроки из юного богомола.