06 okt.2020 (Nanowerk-schijnwerper) Natuurlijk kunnen de meeste robots van richting en snelheid veranderen - sommige kunnen zelfs hun kleur veranderen. Maar hoe zit het met het veranderen van hun vormen? Onderzoekers beginnen robots te maken die hun morfologie en gedrag naar behoefte kunnen aanpassen. Door zowel de lichaamsvorm als de manier waarop hij beweegt te veranderen, kan de robot obstakels overwinnen of zijn taak voortzetten ondanks veranderende terreinen en omgevingen. Zoals met zoveel technische ontwerpen, dienen de blauwdrukken van de biologie als inspiratie: biologische organismen zijn in staat hun lichaamsstructuur, stijfheid en gedrag aan te passen aan een complexe anatomie die tegemoet komt aan een verscheidenheid aan omgevingsvereisten en externe verstoringen. Octopussen kunnen bijvoorbeeld door openingen knijpen die veel kleiner zijn dan hun lichaam; hydrostatische rupsen gebruiken peristaltische vormverandering om door talloze omgevingen te bewegen; en van mottenlarven is waargenomen dat ze opkrullen om weg te rollen van roofdieren. Bovendien zijn biologische lichamen vaak sterk regeneratief en in staat om hun grootschalige architectuur te repareren en opnieuw te configureren in het licht van aanzienlijke schade of radicale veranderingen aan hun componenten. Salamanders, octopussen, garnalen en zeesterren regenereren bijvoorbeeld geamputeerde ledematen, en fragmenten die uit willekeurige delen van planaria-platwormen zijn gesneden, kunnen hun lichaam opnieuw opbouwen (en opnieuw schalen) om een volledige, correcte anatomie te herstellen. "Evolutie resulteerde niet in hard gecodeerde lichaamsplannen die puur bepaald werden door genetische factoren, maar produceerde eerder diverse voorbeelden van intelligente zelfmodificerende systemen die zich aanpassen aan talrijke extragenomische invloeden", schrijven de auteurs van een recent voortgangsrapport in Geavanceerde materialen ("Vormveranderende robots: bioinspiratie, simulatie en fysieke realisatie"). "Op deze manier dient biologie als een belangrijke proof-of-principle en ontwerpuitdaging voor kunstmatige intelligentie en vormveranderende robots."
Figuur 1. Vormveranderende zachte robots van de volgende generatie zullen hun omgeving voelen en hun vorm en gedrag aanpassen aan veranderingen in de omgeving of het terrein. (Overgenomen met toestemming door Wiley-VCH Verlag) Talrijke organismen maken met succes gebruik van vormverandering als een mechanisme voor aanpassing en overleving. Voor robotica-ontwerpers is een fundamentele vraag om mee te beginnen echter dat het onduidelijk is wanneer en hoe robots van vorm moeten veranderen. Om deze vragen te beantwoorden, zou het nuttig zijn om een groot aantal verschillende vormveranderende robots in verschillende omgevingen te evalueren. Het produceren en inzetten van meerdere robots kan echter duur, tijdrovend en zelfs gevaarlijk zijn. Simulaties worden dus vaak gebruikt om ongewenste ontwerpen te verwijderen voordat ze in werkelijkheid proberen te bouwen. Maar, zoals de auteurs aangeven, kunnen simulaties onder realistische ontwerpomstandigheden de ontwerpruimte niet uitputtend doorzoeken. Zelfs met een klein aantal mechanische onderdelen is de grootte van de ontwerpruimte enorm. "In op voxel gebaseerde robotsimulatoren, die voxels gebruiken als structurele bouwstenen, zijn er bijvoorbeeld 4.5 × 108 unieke manieren om 12 voxels te rangschikken om een robot te vormen, en de ontwerpruimte (het aantal mogelijke ontwerpen) neemt exponentieel toe met elk extra blok. Als gevolg hiervan worden meestal evolutionaire en leeralgoritmen gebruikt om de enorme ruimte van mogelijke robotontwerpen efficiënt te verkennen. "
Figuur 2. Simulaties kunnen automatisch complexe vormveranderende robots genereren, inclusief robots die herstellen van schade door vormverandering. De hier getoonde viervoetige robot ontdekte dat het na beschadiging voordeliger was om van vorm te veranderen dan om zijn controlebeleid aan te passen. (Uit: 'Robotics: Science and Systems'. © Sam Kriegman) De overgang van simulaties naar het daadwerkelijk realiseren van vormveranderende robots in hardware brengt zijn eigen reeks unieke uitdagingen met zich mee. Om robots te ontwikkelen die wedijveren met biologische systemen, moeten verschillende uitdagingen worden aangepakt. Ten eerste is het onduidelijk hoe proprioceptie en intelligentie optimaal in dergelijke machines kunnen worden ingebed om robots in staat te stellen hun vorm te voelen. Om robots te ontwerpen voor taken die ingewikkelder zijn dan door menselijke intuïtie kunnen worden opgelost, is het noodzakelijk om het ontwerp van vormveranderende robots te automatiseren. Ten slotte vereist het omzetten van zeer functionele ontwerpen naar de realiteit functionele materialen die kunnen worden geïntegreerd in systemen die nauwkeurige controle over de vorm kunnen krijgen.
Vormdetectie
Tijdens regeneratie in biologische systemen vergelijken de cellen van een organisme de huidige toestand van hun lichaam met de doelmorfologie, hoewel de exacte mechanismen voor deze processen slecht worden begrepen. Er bestaan technieken voor het meten van de vervorming van robots met een vaste vorm, die in het algemeen berusten op een vergelijking met de referentielichaamsvorm in rust. Onderzoekers worden hier geconfronteerd met nogal wat uitdagingen: hoeveel sensoren en welk type sensoren zijn er bijvoorbeeld nodig om de vorm van elke robot in figuur 1 hierboven te detecteren? Deze sensorinrichtingen moeten tegelijkertijd robuust maar flexibel zijn voor herhaalde toepassingen van externe belasting, bestand zijn tegen ongewenste lokale afschuifkrachten en gemakkelijk te vervaardigen zijn met de dichtheden die nodig zijn om de gecompliceerde vervormingen te detecteren die optreden tijdens typische bewerkingen.Vorm vinden
Dit lijkt triviaal, maar het is niet duidelijk welke vorm een robot in een bepaalde omgeving zou moeten aannemen. Bijvoorbeeld: hoe weet een robot dat zijn huidige vorm niet meer optimaal is voor de omgeving of situatie waarin hij verkeert, en dat hij op zoek moet naar een nieuwe vorm en gedragsbeleid? Hoe moeten robotvormen en -gedragingen worden gegenereerd met alleen milieu-input? De auteurs merken op dat de meeste studies over gesimuleerde morphing de kosten van vormverandering negeerden. Hoewel vormverandering soms rekenkundig efficiënter is dan het zoeken naar besturingsbeleid, zijn er bij hardware-implementaties energetische kosten verbonden aan het veranderen van vorm. Er moet energie worden besteed aan het aandrijven van aandrijvingen en mogelijk moeten materialen worden vervangen tijdens regeneratie of groei. Het kwantificeren van zowel de computationele als energetische kosten van vormverandering zal belangrijk zijn voor de realisatie van vormveranderende robots die in de echte wereld werken.Vorm veranderen
Meestal zijn de componenten van een robot optimaal geplaatst voor zijn morfologie en doelfunctie. Maar voor een vormveranderende robot zal de optimale plaatsing van componenten verschillen tussen de morfologieën. Een oplossing voor dit probleem is om de dichtheid van de sensor- en actuatorcomponenten in de hele robot te vergroten om de controleerbare vrijheidsgraden te vergroten. Om het scala aan vormen dat morphing-robots kunnen bereiken verder uit te breiden, moeten aanvullende bedieningsmodi worden geïntroduceerd. Veel vormveranderende robots gebruiken een enkele bedieningsmodus, bijvoorbeeld spanning, volumetrische uitzetting, origami-vouwen of buigen. Daarentegen maken veel van vorm veranderende organismen gebruik van meerdere bedieningsmodi. De tentakels van koppotigen en de tongen van veel soorten integreren bijvoorbeeld nauw spieren met verschillende oriëntaties om torsie, extensie en buiging te bereiken. Volgens de auteurs kan veel worden geleerd op het gebied van microrobotica, waar veel robots zijn gebouwd met behulp van stimuli. responsieve polymeren. Vaak bevatten deze robots naast nieuwe functionaliteiten, zoals camouflage, verschillende activeringsmodi. Stimuli die in deze micromachines worden gebruikt - magnetische velden, chemische damp, licht en oplosmiddel - zijn meestal minder praktisch voor grotere zachte robots vanwege ongunstige sterkte-gewichtsverhoudingen op grotere lengteschalen. Met extra vooruitgang in de fundamentele materiaalwetenschap kan de implementatie van stimuli-responsieve polymeren in grootschalige robots levensvatbaar worden. Na het bekijken van de huidige stand van de literatuur, concluderen de auteurs dat innovaties in multifunctionele materialen, zachte robotica en evolutionaire robotica samenkomen om vormveranderende robots levensvatbaarder te maken. "Dergelijke vormveranderende robots moeten worden gezien als belangrijke modelsystemen voor evolutionaire biologie en regeneratieve geneeskunde, die vereenvoudigde 'lichamen' bieden waarin theorieën over weefselberekening, hersenlichaamcontrole en regeneratieve algoritmen kunnen worden getest, en waarin de diepgaande lessen kunnen worden geabstraheerd. van het leven zoals het zou kunnen zijn door evolutionaire contingenties. Controle van de morfologie is inderdaad een onopgelost probleem in de geneeskunde - van het oplossen van geboorteafwijkingen tot herstel van traumatisch letsel, veroudering en kanker. De kwestie van vorm en zijn dynamische controle is dus een opkomende nieuwe wetenschap op het snijvlak van evolutie, biomedische geneeskunde, machine learning en robotica. " ByMichael
Berger
-
Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk
