Naturgewalten

Über einem Laufband mitten im Biomimetic Robotics Lab aufgehängt, wartet Sangbae Kims bekannteste Kreation auf ihren nächsten Testlauf. Cheetah III ist ein Bündel von Gelenken, Schaltkreisen und Elektromotoren. Wie das gleichnamige Tier wiegt der vierbeinige Bot etwa 90 Pfund und ist schnell und kompetent. Cheetah III wurde entwickelt, um über Hindernisse zu springen und sich seinen Weg durch schwierige Umgebungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3 Metern pro Sekunde oder 6,7 Meilen pro Stunde zu bahnen, und kann mit minimaler Überwachung fast überall hingehen, wo ein Mensch hingehen kann, sagt Kim.

Im Moment braucht es nicht zuletzt Schutz vor Paparazzi. Obwohl ihnen Merkmale wie Fell und Ohren fehlen, behalten Geparden-Bots die Ausstrahlung eines Säugetiers. Wenn man rausgeht – um die Massachusetts Avenue hinunterzutraben oder um ein MIT-Fußballfeld zu springen –, zieht es meist eine Menschenmenge an. In Kims Ice Bucket Challenge-Video aus dem Jahr 2014 stiehlt ein früheres Cheetah-Modell allen die Show, indem es über den Eimer tritt. Labormitglieder haben die Fenster von 5-017 mit Papier abgedeckt, damit sie ihre Arbeit erledigen können.

Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, bezieht seine Ideen aus der Natur. Die Biologie führt uns zu dem, was möglich ist, sagt er. Es hat ihm geholfen, Maschinen zu bauen, die sich wie Insekten, Eidechsen und Katzen bewegen, ganz zu schweigen von Hunderttausenden von YouTube-Aufrufen. Aber dabei will er nicht aufhören. Kims neueste Forschung orientiert sich an einem besonders inspirierenden Tier: dem Menschen.

Das Bein neu erfinden
Im Biomimetic Robotics Lab im Untergeschoss von Gebäude 5 ist der Cheetah III von bekannteren Maschinen umgeben. Kims Labor dient gleichzeitig als kleine Produktionsstätte mit 3-D-Druckern, einem Laserschneider, einer Bohrmaschine und einer CNC-Fräsmaschine. Während die meisten Roboterlabore vorgefertigte Teile verwenden, bevorzugt Kim einen DIY-Ansatz. Wir bauen im Grunde alles, was wir haben, sagt er.

Dies ist umsichtig, wenn Sie eine neue mechanische Art herstellen und testen: Im Laufe eines harten Trainingstages hat der Gepard früher einen ganzen Satz Polyurethan-Pfotenballen durchgemacht. (Stattdessen hat es jetzt Gummi-Modelle.) Aber was noch wichtiger ist, der Do-It-Yourself-Ansatz ermöglicht es dem Team, bei Null anzufangen, ungehindert von den Annahmen, die in Standard-Hardware eingebaut sind. Wie es sich bewegt, unterscheidet sich wirklich von den meisten Robotern, weil wir unser System tatsächlich selbst entworfen haben, sagt Kim.

Die meisten der Geparden sind für Fabriken optimiert. Sie sind Fertigungsroboter, die immer wieder die gleichen Aufgaben erledigen, sei es das Packen einer Palette oder das Eindrehen einer Schraube. Sie sind viel schneller, präziser und beständiger als Menschen, sagt Kim. Aber sie interagieren nicht wirklich mit ihrer Umgebung oder Objekten, wie wir es tun.

Um das zu demonstrieren, führt Kim eine klassische menschliche Handlung aus: Er schnappt sich seinen Laptop vom Tisch. Er geht dabei karikaturhaft ungeschickt vor – seine Unterarme schlagen auf die Tischoberfläche und seine Hände schlagen gegen die Seiten des Bildschirms –, aber sowohl Mensch als auch Laptop bleiben unversehrt. Dann legt er es wieder ab und ahmt nach, wie ein Fabrikroboter dieselbe Aufgabe angehen würde. Diesmal gleitet er mit großer Konzentration mit den Händen und wird dabei langsamer. Als er das Objekt tatsächlich erreicht, bewegt er sich kaum noch.

Ihr Gehen ist millionenfach erstaunlicher als das Fliegen von Düsenjägern.

Ein Mensch kann Dinge in einer Sekunde oder weniger greifen, sagt er. Aber ein Roboter? Es muss langsam sein, weil es nicht kollidieren kann. Die gleiche Steifheit, die einen Fabrikroboter beständig macht, verhindert, dass er die durch einen Aufprall erzeugte Energie sicher absorbiert. Stattdessen zerbricht diese Energie es oder was auch immer es versucht zu interagieren. Diese Einschränkung ist für Maschinen, die zum Beispiel laufen wollen, lähmend: Schließlich ist jeder Schritt eine Kollision, sagt Kim. (Fahrzeuge haben auch Probleme, mit dem Boden fertig zu werden. Wie Kim betont, haben Flugzeuge und Boote den Lauf der Luft und des Meeres, aber wir mussten den Weg für den Landverkehr mit Straßen und Eisenbahnschienen ebnen.)

Sangbae Kims erster Cheetah-Prototyp hatte einen Kopf, eine Wirbelsäule und einen Schwanz. Der neueste läuft wie ein Gepard, sieht aber nicht mehr aus wie ein Tier, sagt er.

Wenn Menschen versuchen, Roboter zu bauen, die gehen und laufen können, beginnen sie oft mit den gleichen Elementen wie bei Industrierobotern. Wenn es beispielsweise an der Zeit ist, einen Aktuator zu wählen – den Teil einer Maschine, der eine Energiequelle in Bewegung umwandelt –, wird man sich für einen hydraulischen entscheiden: stark und präzise, ​​aber sehr steif und nicht in der Lage, Stöße zu absorbieren. Sie platzieren den Aktuator an der Hüfte des Roboters und einen Kraftsensor am Fuß. Wenn der Roboter läuft, ermittelt der Kraftsensor, wie hart er auf den Boden auftrifft, und teilt dies dem Aktuator mit, der sich entsprechend anpasst.

Im Allgemeinen funktioniert diese Strategie jedoch nicht allzu gut. Sie spüren die Kraft hier [am Fuß], aber Ihr Aktuator ist weit entfernt und zu langsam, erklärt Kim. Dazwischen liegt einiges an Masse und Dynamik … es wird instabil. (Er hämmert diesen Punkt gerne mit einem Supercut aus der DARPA Robotics Challenge 2015 nach Hause, in dem eine Reihe teurer, beeindruckend aussehender zweibeiniger Roboter wie betäubte Terminatoren umkippen.)

Also entschied sich Kim für einen Neuanfang und entwarf einen neuen Aktuatortyp mit anderen Prioritäten. Sein Aktuator ist schlank und gemein – er hat ein hohes Drehmoment, sodass er viel Rotationskraft erzeugen kann, aber er wird von einem leichten Elektromotor mit minimaler Rotationsträgheit angetrieben, wodurch er schnell ändern kann, wie schnell er sich dreht. Der Rest des Beins des Geparden soll so leicht und reibungsarm wie möglich sein, sagt er.

Da das Bein dünn und leicht ist, ändert sich die vom Aktuator erzeugte Kraft bis zum Erreichen des Fußes kaum, wodurch ein Kraftsensor überflüssig wird. Dies verleiht dem Cheetah schnellere Reflexe: Er kann die Kraft, die er ausübt, etwa 50-mal schneller ändern als Roboter, die sowohl Aktuatoren als auch Kraftsensoren verwenden.

Ein ungeschickterer Roboter braucht eine ganze Datenschleife, bevor er herausfinden kann, wie hart sein Fuß gerade auf dem Bürgersteig aufgeschlagen ist und was er als Nächstes tun soll. Aber wenn der Gepard landet, nachdem er über ein Hindernis gesprungen ist, kontrollieren die Füße die notwendigen Kräfte, um das Gleichgewicht zu halten und sich sofort nach dem Zusammenstoß mit dem Boden zu erholen, sagt Kim. (Das Design kann auch viel leichter Energie absorbieren – wenn der Fuß auf den Boden trifft, wandert die Aufprallkraft zurück zum Bein und in den Aktuator, wodurch der Motor wieder aufgeladen wird, anstatt ihn zu brechen.)

Anstatt Kraft zu spüren, konzentriert sich der Gepard darauf, herauszufinden, wo er sich im Weltraum befindet. Gelenkpositionssensoren, Beschleunigungsmesser und Gyroskope speisen ständig Daten in eine Reihe von Algorithmen, die bestimmen, wann und wie hart jedes Bein wahrscheinlich als nächstes auf dem Boden aufschlägt. Wenn der Fuß des Geparden auf etwas Unerwartetes tritt – beispielsweise auf einen Felsen, der seinen Körper zum Kippen bringt – hilft diese Information dem Roboter zu entscheiden, ob er seinen Schritt fortsetzen oder zurückweichen soll. Wenn es sich zu einem Schritt verpflichtet, greift ein anderer Algorithmus ein, um vorherzusagen, wie viel Kraft aufgewendet werden muss, um über das Objekt zu kommen – oder welche kompensierende Kraft erforderlich ist, um sein Gleichgewicht anzupassen, wenn es angerempelt wird.

Diese Reihe von Prioritäten hat es dem Cheetah ermöglicht, Dinge zu tun, die die meisten anderen Bots nicht können, wie Trab und Springen. Er ist auch äußerst effizient – ​​er nutzt Energie nur geringfügig weniger vernünftig als ein echter Gepard und ist damit anderen Robotern um Längen voraus. Es kann sich sogar ohne Kameras in seiner Umgebung bewegen. Auf einer Highlight-Rolle rennt ein blinder Gepard über einen Kiesfleck, steigt eine Treppe hinauf und richtet sich immer wieder auf, wenn ein Labormitarbeiter ihn mit einem Stock anstupst. Kim nennt seinen Ansatz propriozeptive Aktivierung, nach dem sechsten Sinn, der den Menschen die Position unseres Körpers im Raum bewusst macht.

Um eine solche Stabilität zu erreichen, muss man etwas Genauigkeit opfern – wir haben ständig einen Fehler von 10 % oder 15 % [der Kraftkontrolle], sagt Kim. Während dies einige Ingenieure unzufrieden machen mag, ist der Cheetah so leicht und energieabsorbierend, dass er die Fehlerrate im Allgemeinen tolerieren kann, selbst bei starken Stößen durch Laufen und Springen.

Um das Verhalten von Lebewesen in mechanische Begriffe zu übersetzen, ist eine vielschichtige Denkweise erforderlich. Jeder in der Robotik konzentriert sich sehr auf seinen eigenen kleinen Bereich – es gibt viele Softwaregruppen, die glauben, dass alles mit Code gelöst werden kann, oder Hardwaregruppen mit Hardware, sagt João Ramos, PhD ’18, einer der Postdocs des Labors. Sangbae hat eine integrierte Ansicht. Wenn Sie das Problem lösen wollen, müssen Sie auf Konzeptebene, Hardwareebene und Software darüber nachdenken.

Dieser Paradigmenwechsel war möglich, weil ich Maschinenbauingenieur bin, stimmt Kim zu. Ich denke über die Dynamik starrer Körper nach, anstatt [nur] Software zu schreiben. Mehrere Unternehmen, darunter Boston Dynamics, verwenden jetzt auch sein Aktuatordesign in Teilen ihrer Roboter.

Hochklettern
Kim hat es sich angewöhnt, nach neuen Wegen zu suchen, Dinge zu tun, während sie in Seoul, Südkorea, aufwuchs und auf engstem Raum ohne viele Ressourcen – oder eine Werkstatt – lebte. Ich habe viel gebaut, sagt er. Ich habe jeden möglichen Weg gefunden, um meine eigenen Werkzeuge zu erstellen. Er zerlegte Haushaltsgeräte, um zu sehen, ob er sie wieder zusammensetzen könnte. Wenn seine Freunde mit ihren ferngesteuerten Autos herumrasten, legte er den Bauch hoch und bastelte daran herum.

Als Student an der Yonsei-Universität in Seoul entwarf er den damals weltweit günstigsten 3-D-Scanner. (Er diente auch seinem Pflichtdienst in der südkoreanischen Armee, eine Erfahrung, die, wie er sagt, seine Abneigung gegen die Bürokratie verstärkte.) Er trat einem Startup bei, das den Scanner kommerzialisierte, aber bald nach der Entwicklung des ersten Prototyps erkannte, dass er das Erfinden der Feinabstimmung vorzog und beschloss, in die Wissenschaft zurückzukehren.

Als er 2002 für die Graduiertenschule nach Stanford kam, wollte er weiter im Hardwaredesign arbeiten, erkannte aber, dass viele Aufgaben, die früher das Basteln an beweglichen Teilen erforderten, jetzt auf Computern erledigt werden. Was kann nicht durch Elektronik ersetzt werden? er sagt. Wenn Sie an etwas arbeiten müssen, das physisch mit der Umgebung interagiert, kann es nicht durch einen Code oder einen Chip ersetzt werden … Deshalb bin ich in die Welt der Robotik eingetreten.

Kim trat dem Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory von Mark Cutkosky in Stanford bei. Ich war fasziniert davon, wie sich Tiere bewegen, sagt er. Ich konzentrierte mich auf das Prinzip „Oh, das ist etwas bei Tieren – lass es uns nachahmen.“ Er arbeitete an einer spinnenartigen Klettermaschine und einem Schwarm von Kakerlaken-inspirierten Bots, die selbstständig laufen konnten. Später, als Postdoc in Harvard, baute er einen autonomen Roboter-Regenwurm. (Es bewegt sich, indem es seine Segmente als Reaktion auf einen elektrischen Strom zusammendrückt, und es ist weich genug, um zu überleben, wenn man darauf tritt.)

Aber sein erster großer Durchbruch war Stickybot, ein Roboter, der wie ein Gecko Wände erklimmen kann. Wie Gepardenbeine leisten Geckofüße zwei schwierige Dinge auf einmal: Sie können sich mit großer Kraft an einer Wand festhalten, aber sie können sich auch mit großer Geschwindigkeit von ihr lösen. Wenn Sie daran denken, einen Kletteranzug zu bauen – wenn Sie wirklich klebrige Hände haben, können Sie die Wand erklimmen, aber wenn Ihre Hände so klebrig sind, können Sie nicht aus die Wand, sagt Kim. Aber die Geckos laufen auf.

Mini Cheetah, ein kleinerer, sicherer und agiler Cheetah, ist für Forschung und Bildung bestimmt. Daten werden über sein Kabel gesammelt, und Steueralgorithmen können auf die gleiche Weise geändert werden.

Im Jahr 2006 veröffentlichte Kellar Autumn, ein Biologe am Lewis & Clark College, ein Papier, in dem genau beschrieben wird, wie Geckos damit umgehen. Der Schlüssel liegt in winzigen Haaren an ihren Füßen, die so strukturiert sind, dass sie nur haften bleiben, wenn sie in eine Richtung gezogen werden. Kim nutzte das Prinzip, um den Stickybot und einen Klebstoff zu entwickeln, den er Gecko Tape nennt. Es ist wahrscheinlich immer noch mein Lieblingsprojekt in Bezug auf die Wissenschaft, sagt er. Wir haben ein neues Material entwickelt – ein neues Konzept, das es nicht gab, bevor wir den Gecko verstanden.

2009 trat Kim der MIT-Fakultät bei und traf sich jahrelang oft mit Rodney Brooks bei Starbucks, um Ideen auszutauschen. (Brooks, der ehemalige Direktor von CSAIL, war 2008 losgezogen, um Rethink Robotics zu gründen.) Er denkt breit, sagt Brooks – und probiert Dinge aus, die anderen Menschen Angst machen könnten. Brooks erinnert sich, dass Kim auf einer Amazon-Konferenz 2017 beschloss, herauszufinden, wie man den Geparden Sprachbefehle mit einem Amazon Echo erteilt. Als seine Demo am nächsten Morgen kam, konnte er zum ersten Mal mit seinem Roboter sprechen, sagt er. Das war ein mutiger Schachzug.

Kim wurde 2016 angestellt und unterrichtet alle zwei Jahre 2.74 (Bio-Inspired Robotics), für die Studenten Bots gebaut haben, die wie ein Affe schwingen oder wie ein Känguru springen. Er unterrichtet auch 2.007 (Design and Manufacturing). Der legendäre Robotik-Designkurs gipfelt in einem thematischen Wettbewerb, der immer viele Menschen anzieht, und Kim und sein Co-Trainer, Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, verkleiden sich in Kostümen, um ihn zu moderieren. Letztes Jahr spielte Kim Willy Wonka. Viele der Vorträge auf hohem Niveau, die er hielt, handelten davon, wie man sich von der Natur inspirieren lässt, erinnert sich Selam Gano '18, der 2017 an seinem Biomimetik-Kurs teilgenommen hat Starren Sie auf Ihre Hand und sagen Sie: Wow, das ist unglaublich!'… Er steckt wirklich jeden mit seiner Begeisterung an.

Bis ans Limit gehen
Manchmal weiß man nicht, wie unglaublich etwas wirklich ist, bis es nicht mehr funktioniert. Vor etwa 15 Jahren hat sich Kim beispielsweise die Achillessehne gerissen. Es hat ihn aus der Fassung gebracht: Sicher, er hat damals Basketball gespielt, aber er hat nichts Besonderes gemacht. Ich bin nur spazieren gegangen, sagt er. Es war seltsam. Sein Arzt verordnete ihm sechs Monate Couchruhe.

Kim, die inzwischen zum Tennis gewechselt ist, ist kein Fan von Couchrest. Trotzdem fand er die Erfahrung aufschlussreich. Ihre Muskeln sind stark genug, um ständig Sehnen auszureißen und Gelenke auszurenken, sagt er. Unser Nervensystem passt immer sorgfältig die Menge an Kraft an, die Sie erzeugen müssen. Irgendwie hatte sein Körper das umgangen und er hatte seine eigenen Grenzen überschritten. Aber meistens schützen wir uns selbst. Anders als diese tollpatschigen DARPA-Challenge-Roboter schaffen wir es, sowohl Kraft als auch Kontrolle zu haben.

Ich konzentrierte mich auf das Prinzip „Oh, das ist etwas bei Tieren – lass es uns nachahmen.“

Darüber hinaus tun wir dies, wie Geckos, die eine Wand erklimmen, ohne darüber nachzudenken. Ihr Gehen ist millionenfach erstaunlicher als das Fliegen von Düsenjägern, sagt Kim und rattert eine Liste unserer unterbewussten Fähigkeiten herunter. Wir können Türen öffnen, ohne das Gleichgewicht zu verlieren. Wir können abgelenkt die Straße entlang joggen. Wir können frühstücken, während wir uns unterhalten, und wir denken nicht: „Oh, ich bewege diesen kleinen Kartoffelklumpen zurück auf die linke Seite der Zähne, damit die Zähne ihn in ein Stück von angemessener Größe zerkleinern können, ' er sagt. Wir nehmen zu viele Dinge für selbstverständlich!

Wir werden vielleicht nie einen Roboter brauchen, der kaut. Aber wenn wir einen wollen, der großartig darin ist, aufrecht zu bleiben, könnte es helfen, unsere eigenen Fähigkeiten zu nutzen – wie es ein anderes von Kims Projekten tut. HERMES (was für hocheffiziente Robotermechanismen und elektromechanisches System steht) ist ein zweibeiniger Roboter, der die gleichen einzigartigen Aktoren wie der Gepard verwendet. Aber anstatt völlig eigenständig zu arbeiten, wird es von einem Menschen gesteuert, der eine, wie Kim es nennt, Balance-Feedback-Schnittstelle verwendet.

Zur Steuerung von HERMES trägt ein menschlicher Bediener eine spezielle Bewegungsmelderweste und steht auf einer Plattform mit eingebetteten Kraftsensoren. Durch das Verfolgen und Übertragen von Bewegungsdaten in beide Richtungen über Kabel, Weste und Plattform entsteht eine erlebnisorientierte Verbindung zwischen Mensch und Roboter. Angenommen, HERMES soll eine schwere Tür öffnen. Der menschliche Bediener macht eine Schubbewegung und der Roboter folgt ihr. Wenn HERMES gegen die Tür schlägt, spürt der Mensch den Aufprall und passt sein Gleichgewicht entsprechend an. HERMES nimmt die gleichen Einstellungen vor und vermeidet das Umfallen. Algorithmen optimieren die relevanten Kräfte so, dass ein Mensch, der die Weste trägt, einen kleineren Roboter oder einen vierbeinigen steuern kann.

Auf diese Weise ermöglicht das System sowohl dem Menschen als auch dem Bot, ihre Stärken in die Situation einzubringen und gleichzeitig ihre Schwächen zu minimieren. Menschen sind schlau und gut im Balancieren und in der Feinmanipulation, aber wir sind ziemlich zerbrechlich. Roboter sind stark und zäh, aber sie brauchen viel Anleitung. Kim möchte diese Technologie mit dem Geparden kombinieren und eines seiner Beine durch einen propriozeptiven Roboterarm ersetzen, an dem er arbeitet. Der Arm verbindet Mensch und Maschine in einem feineren Maßstab und lässt den Bediener fühlen, was passiert, wenn der Roboter ein Seil greift oder einen Türknauf dreht.

Er stellt sich einen Ersthelfer vor, der diese Werkzeuge verwendet, um ein gefährliches Gebiet zu erkunden. Du hast eine [VR-]Brille und vielleicht einen Sprachbefehl: „Gepard, geh in Raum 507“, sagt er. Der Gepard macht sich schnell auf den Weg dorthin, bewegt sich effizient und vermeidet Trümmer. Es findet sein Ziel: Oh, da ist ein Gasleck, und Sie müssen dieses Ventil schließen. Der Bot kann dann auf drei Beinen stehen, während der Mensch das vierte Bein – das auch als Roboterarm dient – ​​manipuliert, um das Ventil einzustellen.

Das ist meine große Vision: Mobilität auf menschlicher Ebene, größtenteils autonom, wobei die Manipulation hauptsächlich durch Menschen erfolgt, sagt Kim. Diese drei Komponenten werden es uns schließlich ermöglichen, dies zu tun. Wenn sie können, fügt er hinzu, werden sich mehr Möglichkeiten eröffnen. Kim kann sich seine Roboter in Seniorenheimen vorstellen, die bei Bedarf von einer Person in einem Kontrollraum ferngesteuert aktiviert werden: Sie könnten sowohl Hilfe als auch Privatsphäre für Menschen bieten, die Hilfe benötigen, aber dennoch alleine leben möchten.

Oder vielleicht verrichten seine Geparden-Bots am Ende gefährliche Handarbeit, geleitet von erfahrenen Arbeitern, die sich an sicheren Orten in der Nähe niedergelassen haben. Er sagt voraus, dass Cheetah III in zwei bis drei Jahren in der Lage sein wird, in einem mit Strahlung gefüllten Kraftwerk zu navigieren; In einem Jahrzehnt sollte sein Nachfolger in der Lage sein, körperlich anstrengendere Arbeiten wie das Manipulieren von Trümmern zu erledigen. Und in 15 bis 20 Jahren, so glaubt er, könnte es in ein brennendes Gebäude eindringen und Menschen retten.

Aber Kim hat aufgehört, sich direkt darauf zu konzentrieren, andere Kreaturen zu kopieren. Als ich mir zum ersten Mal vorstellte, wie mein Roboter läuft und wie ein Gepard galoppiert, dachte ich immer an diese schöne Körperbeugung, sagt er. Er erkannte jedoch schnell, dass ein geschmeidiges Rückgrat seinen Bot bei seiner späteren Aufgabe nicht besser machen würde. Das Gleiche gilt für andere Details: Am Anfang würde ich mir jede Knochenform, Trajektorien und so weiter ansehen, sagt er. Ich schaue mir immer noch viele Biologiestudien an, um wirklich zu verstehen, was vor sich geht. Aber er behandelt sie eher als Inspiration denn als Anleitungsheft: Jetzt denke ich: „Okay, vier Beine sind gut.“

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