Als je iemand zou vragen om een ​​nieuwe technologie te noemen die in de 21e eeuw uit MIT is voortgekomen, er is een goede kans dat ze de robotcheetah een naam geven. Ontwikkeld door het MIT Department of Mechanical Engineering's Biomimetic Robotics Lab onder leiding van universitair hoofddocent Sangbae Kim, de viervoeter MIT Cheetah heeft de krantenkoppen gehaald vanwege zijn dynamische beengang, snelheid, springvermogen, en biomimetisch ontwerp.

De Cheetah II ter grootte van een hond kan op vier gelede poten rennen met een snelheid tot 6,4 meter per seconde, maak zacht lopende bochten, en spring naar een hoogte van 60 centimeter. De robot kan ook autonoom bepalen hoe hij obstakels moet ontwijken of overspringen.

Kim ontwikkelt nu een robot van de derde generatie, de jachtluipaard III. In plaats van de snelheid en springcapaciteiten van de Cheetah te verbeteren, Kim verandert de Cheetah in een commercieel levensvatbare robot met verbeteringen zoals een groter laadvermogen, breder bewegingsbereik, en een handige grijpfunctie. De Cheetah III zal in eerste instantie fungeren als een spectrale inspectierobot in gevaarlijke omgevingen zoals een gecompromitteerde kerncentrale of chemische fabriek. Het zal dan evolueren om te voorzien in andere behoeften op het gebied van noodhulp.

"De Cheetah II was gericht op snelle voortbeweging en behendig springen, maar is niet ontworpen om andere taken uit te voeren, "zegt Kim. "Met de Cheetah III, we stellen veel praktische eisen aan het ontwerp zodat het een allround speler kan zijn. Het kan snelle bewegingen en krachtige acties uitvoeren, maar het kan ook heel precies zijn."

Het Biomimetic Robotics Lab is ook bezig met het afronden van een kleinere, uitgeklede versie van de Cheetah, genaamd de Mini Cheetah, ontworpen voor onderzoek en onderwijs op het gebied van robotica. Andere projecten omvatten een op afstand bediende humanoïde robot genaamd de Hermes die haptische feedback geeft aan menselijke operators. Er is ook een vroeg stadium van onderzoek naar het toepassen van Cheetah-achtige actuatortechnologie om mobiliteitsproblemen bij gehandicapten en ouderen aan te pakken.

Mobiliteit op het land veroveren

"Met het Cheetah-project, Ik werd aanvankelijk gemotiveerd door landdieren te kopiëren, maar ik realiseerde me ook dat er een leemte was in grondmobiliteit, " zegt Kim. "We hebben het lucht- en watertransport veroverd, maar we hebben de grondmobiliteit nog niet overwonnen omdat onze technologieën nog steeds afhankelijk zijn van kunstmatig verharde wegen of rails. Geen van onze transporttechnologieën kan op betrouwbare wijze over natuurlijke grond of zelfs kunstmatige omgevingen met trappen en stoepranden reizen. Robots met dynamische poten kunnen ons helpen de mobiliteit op de grond te overwinnen."

Een uitdaging bij pootsystemen is dat ze "actuators met een hoog koppel nodig hebben, ", zegt Kim. "Een menselijk heupgewricht kan meer koppel genereren dan een sportwagen, maar het is een grote uitdaging om zo'n gecondenseerde activering met hoog koppel in robots te bereiken."

Robots hebben de neiging om een ​​hoog koppel te bereiken ten koste van snelheid en flexibiliteit, zegt Kim. Fabrieksrobots gebruiken actuatoren met een hoog koppel, maar ze zijn stijf en kunnen geen energie absorberen bij de impact die het gevolg is van het beklimmen van trappen. Hydraulisch aangedreven, dynamische benen robots, zoals de grotere, hoger laadvermogen, viervoeter Big Dog van Boston Dynamics, kan zeer hoge kracht en kracht bereiken, maar ten koste van de efficiëntie. "Efficiëntie is een serieus probleem met hydrauliek, vooral als je snel beweegt, " hij voegt toe.

Een hoofddoel van het Cheetah-project was het creëren van actuatoren die een hoog koppel kunnen genereren in ontwerpen die de spieren van dieren imiteren en tegelijkertijd efficiëntie bereiken. Om dit te bereiken, Kim koos voor elektrische in plaats van hydraulische aandrijvingen. "Onze elektromotoren met hoog koppel hebben de efficiëntie van dieren met biologische spieren overtroffen, en zijn veel efficiënter, goedkoper, en sneller dan hydraulische robots, " hij zegt.

Cheetah III:Meer dan een speedster

In tegenstelling tot de eerdere versies, het ontwerp van de Cheetah III werd meer gemotiveerd door mogelijke toepassingen dan door puur onderzoek. Kim en zijn team bestudeerden de vereisten voor een BHV-robot en werkten achteruit.

"We geloven dat de Cheetah III over twee of drie jaar in een energiecentrale met straling zal kunnen navigeren, ", zegt Kim. "Over vijf tot tien jaar zou het meer fysiek werk moeten kunnen doen, zoals het demonteren van een elektriciteitscentrale door stukken te snijden en ze eruit te halen. Over 15 tot 20 jaar, het moet in staat zijn om een ​​gebouwbrand binnen te gaan en mogelijk een leven te redden."

In situaties zoals de kernramp in Fukushima, robots of drones zijn de enige veilige keuze voor verkenning. Drones hebben enkele voordelen ten opzichte van robots, maar ze kunnen geen grote krachten uitoefenen die nodig zijn voor taken zoals het openen van deuren, en er zijn veel rampsituaties waarin gevallen puin dronevluchten verbiedt.

Ter vergelijking, de Cheetah III kan uren achtereen krachten op menselijk niveau op de omgeving uitoefenen. Het kan vaak over puin klimmen of springen, of zelfs uit de weg te ruimen. Vergeleken met een drone, het is ook gemakkelijker voor een robot om instrumentatie nauwkeurig te inspecteren, schakelaars omdraaien, en drukknoppen, zegt Kim. "De Cheetah III kan temperaturen of chemische verbindingen meten, of sluit en open kleppen."

Voordelen ten opzichte van rupsrobots zijn onder meer de mogelijkheid om over puin te manoeuvreren en trappen te beklimmen. "Trappen zijn enkele van de grootste obstakels voor robots, ", zegt Kim. "We denken dat robots met poten beter zijn in door mensen gemaakte omgevingen, vooral in rampsituaties waar er nog meer obstakels zijn."

De Cheetah III was een beetje vertraagd in vergelijking met de Cheetah II, maar ook meer kracht en flexibiliteit. "We hebben het koppel verhoogd, zodat het de zware deuren van energiecentrales kan openen, " zegt Kim. "We hebben het bewegingsbereik vergroot tot 12 vrijheidsgraden door 12 elektromotoren te gebruiken die het lichaam en de ledematen kunnen articuleren."

Dit is nog ver verwijderd van de flexibiliteit van dieren, die meer dan 600 spieren hebben. Nog, de Cheetah III kan dit enigszins compenseren met andere technieken. "We maximaliseren de werkruimte van elk gewricht om een ​​redelijke mate van bereikbaarheid te bereiken, " zegt Kim.

Het ontwerp kan zelfs de poten gebruiken voor manipulatie. "Door gebruik te maken van de flexibiliteit van de ledematen, de Cheetah III kan de deur met één been openen, " zegt Kim. "Hij kan op drie poten staan ​​en de vierde ledemaat uitrusten met een aangepaste verwisselbare hand om de deur te openen of een klep te sluiten."

De Cheetah III heeft een verbeterd laadvermogen om zwaardere sensoren en camera's te vervoeren, en mogelijk zelfs om goederen af ​​te geven aan gehandicapte slachtoffers. Echter, het is nog lang niet in staat om ze te redden. De Cheetah III is nog steeds beperkt tot een laadvermogen van 20 kilogram, en kan vier tot vijf uur ongebonden reizen met een minimaal laadvermogen.

"Eventueel, we hopen een machine te ontwikkelen die een persoon kan redden, " zegt Kim. "We weten niet zeker of de robot het slachtoffer zou dragen of een draagapparaat zou meenemen, " zegt hij. "Ons huidige ontwerp kan in ieder geval zien of er slachtoffers zijn of dat er meer potentieel gevaarlijke gebeurtenissen zijn."

Experimenteren met mens-robot interactie

De semi-autonome Cheetah III kan zelfstandig ambulante en navigatiebeslissingen nemen. Echter, voor rampenwerk, het zal voornamelijk werken met een afstandsbediening.

"Volledig autonome inspectie, vooral bij rampenbestrijding, zou heel moeilijk zijn, ", zegt Kim. Onder andere autonome besluitvorming kost vaak tijd, en kan vallen en opstaan, wat de reactie zou kunnen vertragen.

"Mensen zullen de Cheetah III op hoog niveau beheersen, hulp bieden, maar niet elk detail behandelen, "zegt Kim. "Mensen konden zeggen dat het naar een specifieke locatie op de kaart moest gaan, vind deze plek, en open die deur. Als het gaat om handactie of manipulatie, de mens zal meer controle overnemen en de robot vertellen welk gereedschap hij moet gebruiken."

Mensen kunnen mogelijk ook helpen met meer instinctieve controles. Bijvoorbeeld, als de cheetah een van zijn benen als arm gebruikt en dan kracht uitoefent, het is moeilijk om het evenwicht te bewaren. Kim onderzoekt nu of menselijke operators "gebalanceerde feedback" kunnen gebruiken om te voorkomen dat de Cheetah omvalt terwijl ze volle kracht uitoefenen.

"Zelfs als je op twee of drie poten staat, het zou nog steeds in staat zijn om krachtige acties uit te voeren die complexe balancering vereisen, " zegt Kim. "De menselijke operator kan de balans voelen, en help de robot zijn momentum te veranderen om meer kracht te genereren om een ​​deur te openen of te hameren."

Het Biomimetic Robotics Lab onderzoekt gebalanceerde feedback met een ander robotproject genaamd Hermes (Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System). Net als de Cheetah III, het is een volledig gearticuleerde, dynamische poten robot ontworpen voor rampenbestrijding. Nog, de Hermes is tweevoetig, en volledig telebediend door een mens die een telepresence-helm en een volledig lichaamspak draagt. Net als de Hermes, het pak is opgetuigd met sensoren en haptische feedbackapparaten.

"De operator kan de balanssituatie voelen en reageren door het lichaamsgewicht te gebruiken of direct meer krachten uit te oefenen, " zegt Kim.

De latentie die nodig is voor dergelijke intieme realtime feedback is moeilijk te bereiken met wifi, zelfs als het niet wordt geblokkeerd door muren, afstand, of draadloze interferentie. "In de meeste rampsituaties je zou een soort van bekabelde communicatie nodig hebben, "zegt Kim. "Uiteindelijk, Ik denk dat we versterkte optische vezels zullen gebruiken."

Verbetering van de mobiliteit van ouderen

Verder kijken dan rampenbestrijding, Kim ziet een belangrijke rol voor agile, Dynamische robots in de zorg:verbetering van de mobiliteit van snelgroeiende ouderen. Talloze roboticaprojecten richten zich op de ouderenmarkt met spraakzame sociale robots. Kim verbeeldt zich iets fundamentelers.

"We hebben nog steeds geen technologie die mensen met een handicap of ouderen kan helpen om naadloos van het bed naar de rolstoel naar de auto te gaan en weer terug. ', zegt Kim. 'Veel ouderen hebben problemen met opstaan ​​en traplopen. Sommige ouderen met kniegewrichtsproblemen, bijvoorbeeld, zijn nog behoorlijk mobiel op vlak terrein, maar kan niet zonder hulp de trap af. Dat is een heel klein deel van de dag dat ze hulp nodig hebben. We zijn dus op zoek naar iets dat lichtgewicht en gebruiksvriendelijk is voor tijdelijke hulp."

Kim werkt momenteel aan "het creëren van een technologie die de actuator veilig kan maken, " zegt hij. "De elektrische actuatoren die we in de Cheetah gebruiken, zijn al veiliger dan andere machines omdat ze gemakkelijk energie kunnen absorberen. De meeste robots zijn stijf, wat veel slagkrachten zou veroorzaken. Onze machines geven een beetje mee."

Door een dergelijke veilige actuatortechnologie te combineren met een deel van de Hermes-technologie, Kim hoopt in de toekomst een robot te ontwikkelen die ouderen kan helpen. "Robots kunnen niet alleen de verwachte arbeidstekorten voor de ouderenzorg aanpakken, maar ook de noodzaak om privacy en waardigheid te behouden, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.