Роботи срещу животни: кой печели надпреварата в естествена среда?

резюме: Изследователите са открили дали съвременните роботи могат да надминат биологичните организми по скорост и ловкост. Проучването заключава, че въпреки напредъка в инженерството, животните все още превъзхождат роботите по ефективност на локомотивите в естествена среда.

Изследователите откриха, че интегрирането на роботизирани компоненти не достига кохерентния процес на системно ниво, наблюдаван при животните. Тази визия стимулира развитието на по-интегрирани и адаптивни роботизирани системи, вдъхновени от дизайна на природата.

Ключови факти:

1. Роботизирана срещу биологична ефективност: Проучването потвърждава, че отделните роботизирани подсистеми като захранване и задействане могат да съвпадат или надвишават своите биологични двойници, но роботите не се представят толкова добре, колкото животните, когато тези системи се комбинират.
2. Вдъхновяващи биологични модели: Изследването подчертава как животни, като паяци вълци и хлебарки, се справят отлично в сложни терени и задачи поради своите интегрирани и многостранни биологични системи.
3. Бъдещи инженерни тенденции: Констатациите насърчават инженерите да преосмислят дизайна на роботите и призовават за по-интегриран подход, подобен на биологичните системи, където различни функции се комбинират в рамките на отделни компоненти.

източник: Университет на Колорадо

Може би въпросът е версия на приказката за костенурката и заека от 21-ви век: Кой би победил в надпреварата между робот и животно?

В нова перспективна статия екип от инженери от Съединените щати и Канада, включително роботът Каушик Джаярам от университета в Колорадо Боулдър, се зае да отговори на тази мистерия.

Групата анализира данни от десетки проучвания и стигна до категорично „не“. В почти всички случаи биологични същества, като гепарди, хлебарки и дори хора, изглежда са в състояние да надминат своите роботизирани събратя.

Изследователите, ръководени от Самуел Бордън от Университета на Вашингтон и Максуел Донелан от университета Саймън Фрейзър, публикуваха своите открития миналата седмица в списанието. Научна роботика.

„Като инженер е някак досадно“, каза Джаярам, ​​асистент в катедрата по машинно инженерство на Пол М. Ради в Университета на Колорадо Боулдър. „Повече от 200 години интензивно инженерство успяхме да изпратим космически кораби до Луната, Марс и много други, но е озадачаващо, че все още нямаме роботи, които да се движат много по-добре в естествена среда от биологичните системи.“

Той се надява, че това проучване ще вдъхнови инженерите да се научат как да създават по-интелигентни и по-адаптивни роботи. Изследователите заключават, че неуспехът на роботите да надминат животните не се дължи на недостатък в която и да е част от машината, като батерии или двигатели. Вместо това инженерите може да се борят да накарат тези части да работят заедно ефективно.

Това преследване е една от основните страсти на Джаярам. Неговата лаборатория в кампуса на CU Boulder е дом на много страховити пълзящи животни, включително няколко космати паяци вълци с размерите на половин долар.

„Паяците вълци са естествени ловци“, каза Джаярам. „Те живеят под скали и могат да тичат по сложен терен с невероятна скорост, за да хванат плячка.“

Той си представя свят, в който инженерите създават роботи, които действат повече като тези необичайни паяци.

„Животните са до известна степен въплъщение на този върховен принцип на проектиране, система, която работи добре заедно“, каза той.

Енергия на хлебарка

Въпрос „Кой може да тича по-добре, животните или роботите?“ Сложно е, защото самата операция е сложна.

В предишни изследвания Джаярам и колегите му от Харвардския университет са проектирали група роботи, които се стремят да имитират отвратително поведение на хлебарки. Моделът HAMR-Jr на екипа се побира в монета и се движи със скорост, еквивалентна на тази на гепард. Но Джаярам отбеляза, че докато HAMR-Jr може да се движи напред и назад, той не се движи добре отстрани или по неравен терен.

За разлика от това, скромната хлебарка няма проблем да тича по повърхности от порцелан до мръсотия и чакъл. Те също могат да разрушат стени и да пробият малки пукнатини.

За да разберат защо това разнообразие е предизвикателство за роботиката, авторите на новото проучване разделиха тези машини на пет подсистеми, включително мощност, рамка, задействане, усещане и контрол. За изненада на групата, някои от тези подсистеми изглежда не отговарят на своите животински двойници.

Например, висококачествените литиево-йонни батерии могат да осигурят до 10 киловата енергия за всеки килограм (2,2 фунта), който тежат. За разлика от това, животинската тъкан произвежда около една десета от това. Междувременно мускулите не могат да се доближат до абсолютния въртящ момент на много двигатели.

„Но на системно ниво роботите не са добри“, каза Джаярам. „Сблъскваме се с присъщи компромиси в дизайна, ако се опитаме да подобрим едно нещо, като скоростта напред, може да загубим нещо друго, като способността за завиване.

Паяк усеща

И така, как инженерите могат да създават роботи, които, подобно на животните, са нещо повече от сбор от техните части?

Джаярам отбеляза, че животните не са разделени на отделни подсистеми по същия начин като роботите. Например вашите квадрицепси задвижват краката ви подобно на задвижващите механизми HAMR-Jr, които движат крайниците си. Но четворките произвеждат и собствена сила чрез разграждане на мазнини и захари и интегриране на нервни клетки, които могат да усетят болка и натиск.

Джаярам смята, че бъдещето на роботиката може да бъде ограничено до „функционални подединици“, които правят едно и също нещо: вместо да държите захранващите устройства отделно от двигателите и платките, защо не ги интегрирате всички в една част?

В статия от 2015 г. компютърният учен Никълъс Кюриел, който не е участвал в настоящото изследване, предложи такива теоретични „роботизирани материали“, които биха действали по-скоро като четворки.

Инженерите все още са далеч от постигането на тази цел. Някои, като Jayaram, предприемат стъпки в тази посока, както с неговия лаборатория Articulated Arthropod Insect Robot (CLARI), многокрак робот, който се движи малко като паяк.

Джаярам обясни, че CLARI е базиран на модулен дизайн, като всеки от неговите крака действа като самостоятелен робот със собствен двигател, сензори и контролни вериги. Новата и подобрена версия на екипа, наречена mCLARI, може да се движи във всички посоки в тесни пространства, за първи път за четириноги роботи.

Това е нещо друго, което инженери като Джаярам могат да научат от тези типични ловци, паяците вълци.

„Природата е наистина полезен учител.“

Относно новините в областта на роботиката и невротехнологиите

автор: Даниел Щам
източник: Университет на Колорадо
комуникация: Даниел Стрейн – Университет на Колорадо
снимка: Изображението е кредитирано на Neuroscience News

Оригинално търсене: Свободен достъп.
„Защо животните могат да превъзхождат роботите?„От Kaushik Jayaram et al. Научна роботика

резюме

Защо животните могат да превъзхождат роботите?

Животните са много по-добри в бягането от роботите. Разликата в производителността възниква във важните измерения на гъвкавост, обхват и издръжливост.

За да разберем причините зад тази разлика в производителността, ние сравняваме естествени и изкуствени технологии в пет критични операционни подсистеми: мощност, рамка, задействане, усещане и контрол.

С малки изключения, инженерните технологии отговарят или надвишават производителността на своите биологични аналози.

Заключаваме, че предимството на биологията пред инженерството произтича от по-добрата интеграция на подсистемите и идентифицираме четири ключови препятствия, които роботизаторите трябва да преодолеят.

За да постигнем тази цел, ние подчертаваме обещаващи изследователски насоки, които имат огромен потенциал да помогнат на бъдещите роботи да постигнат производителност на ниво животно.