Πολλά υπάρχοντα ρομποτικά συστήματα αντλούν έμπνευση από τη φύση, αναπαράγοντας τεχνητά βιολογικές διεργασίες, φυσικές δομές ή συμπεριφορές ζώων για την επίτευξη συγκεκριμένων στόχων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα ζώα και τα φυτά είναι εγγενώς εξοπλισμένα με ικανότητες που τα βοηθούν να επιβιώσουν στα αντίστοιχα περιβάλλοντά τους και, επομένως, θα μπορούσαν επίσης να βελτιώσουν την απόδοση των ρομπότ εκτός εργαστηριακών ρυθμίσεων.
«Οι μαλακοί βραχίονες ρομπότ είναι μια νέα γενιά ρομποτικών χειριστών που εμπνέονται από τις προηγμένες δυνατότητες χειρισμού που επιδεικνύονται από «χωρίς κόκαλα» οργανισμούς, όπως πλοκάμια χταποδιών, κουφάρια ελεφάντων, φυτά κ.λπ.», ο Enrico Donato, ένας από τους ερευνητές που πραγματοποίησαν η μελέτη, είπε στο Tech Xplore. «Η μετάφραση αυτών των αρχών σε λύσεις μηχανικής έχει ως αποτέλεσμα συστήματα που αποτελούνται από εύκαμπτα ελαφρά υλικά που μπορούν να υποστούν ομαλή ελαστική παραμόρφωση για να παράγουν συμβατή και επιδέξια κίνηση. Λόγω αυτών των επιθυμητών χαρακτηριστικών, αυτά τα συστήματα προσαρμόζονται στις επιφάνειες και επιδεικνύουν φυσική στιβαρότητα και ασφαλή για τον άνθρωπο λειτουργία με δυνητικά χαμηλό κόστος».
Ενώ οι μαλακοί βραχίονες ρομπότ θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε ένα ευρύ φάσμα προβλημάτων του πραγματικού κόσμου, θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για την αυτοματοποίηση εργασιών που περιλαμβάνουν την επίτευξη επιθυμητών τοποθεσιών που μπορεί να είναι απρόσιτα για άκαμπτα ρομπότ. Πολλές ερευνητικές ομάδες προσπάθησαν πρόσφατα να αναπτύξουν ελεγκτές που θα επέτρεπαν σε αυτούς τους ευέλικτους βραχίονες να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά αυτές τις εργασίες.
«Γενικά, η λειτουργία τέτοιων ελεγκτών βασίζεται σε υπολογιστικές διατυπώσεις που μπορούν να δημιουργήσουν μια έγκυρη χαρτογράφηση μεταξύ δύο λειτουργικών χώρων του ρομπότ, δηλαδή, χώρο εργασίας και χώρο ενεργοποιητή», εξήγησε ο Donato. «Ωστόσο, η σωστή λειτουργία αυτών των ελεγκτών βασίζεται γενικά στην ανάδραση όρασης που περιορίζει την εγκυρότητά τους σε εργαστηριακά περιβάλλοντα, περιορίζοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης αυτών των συστημάτων σε φυσικά και δυναμικά περιβάλλοντα. Αυτό το άρθρο είναι η πρώτη προσπάθεια υπέρβασης αυτού του αδιευκρίνιστου περιορισμού και επέκτασης της εμβέλειας αυτών των συστημάτων σε μη δομημένα περιβάλλοντα.»
«Σε αντίθεση με την κοινή παρανόηση ότι τα φυτά δεν κινούνται, τα φυτά κινούνται ενεργά και σκόπιμα από το ένα σημείο στο άλλο χρησιμοποιώντας στρατηγικές κίνησης που βασίζονται στην ανάπτυξη», είπε ο Donato. «Αυτές οι στρατηγικές είναι τόσο αποτελεσματικές που τα φυτά μπορούν να αποικίσουν σχεδόν όλους τους βιότοπους στον πλανήτη, μια ικανότητα που λείπει από το ζωικό βασίλειο. Είναι ενδιαφέρον ότι, σε αντίθεση με τα ζώα, οι στρατηγικές κίνησης των φυτών δεν προέρχονται από ένα κεντρικό νευρικό σύστημα, αλλά προκύπτουν λόγω εξελιγμένων μορφών αποκεντρωμένων υπολογιστικών μηχανισμών».
Η στρατηγική ελέγχου που στηρίζει τη λειτουργία του ελεγκτή των ερευνητών προσπαθεί να αναπαράγει τους εξελιγμένους αποκεντρωμένους μηχανισμούς που στηρίζουν τις κινήσεις των φυτών. Η ομάδα χρησιμοποίησε ειδικά εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης που βασίζονται στη συμπεριφορά, τα οποία αποτελούνται από αποκεντρωμένους υπολογιστικούς πράκτορες συνδυασμένους σε μια δομή από κάτω προς τα πάνω.
«Η καινοτομία του βιολογικού εμπνευσμένου ελεγκτή μας έγκειται στην απλότητά του, όπου εκμεταλλευόμαστε τις θεμελιώδεις μηχανικές λειτουργίες του μαλακού βραχίονα ρομπότ για να δημιουργήσουμε τη συνολική συμπεριφορά προσέγγισης», είπε ο Donato. «Συγκεκριμένα, ο μαλακός βραχίονας ρομπότ αποτελείται από μια περιττή διάταξη μαλακών μονάδων, καθεμία από τις οποίες ενεργοποιείται μέσω μιας τριάδας ακτινικά διατεταγμένων ενεργοποιητών. Είναι γνωστό ότι για μια τέτοια διαμόρφωση, το σύστημα μπορεί να δημιουργήσει έξι βασικές κατευθύνσεις κάμψης».
Οι υπολογιστικοί πράκτορες που στηρίζουν τη λειτουργία του ελεγκτή της ομάδας εκμεταλλεύονται το πλάτος και το χρονοδιάγραμμα της διαμόρφωσης του ενεργοποιητή για να αναπαράγουν δύο διαφορετικούς τύπους κινήσεων φυτών, γνωστές ως circumnutation και phototropism. Οι περιστροφές είναι ταλαντώσεις που παρατηρούνται συνήθως στα φυτά, ενώ ο φωτοτροπισμός είναι κατευθυντικές κινήσεις που φέρνουν τα κλαδιά ή τα φύλλα ενός φυτού πιο κοντά στο φως.
Ο ελεγκτής που δημιουργήθηκε από τον Donato και τους συνεργάτες του μπορεί να αλλάξει μεταξύ αυτών των δύο συμπεριφορών, επιτυγχάνοντας τον διαδοχικό έλεγχο των ρομποτικών βραχιόνων που εκτείνονται σε δύο στάδια. Το πρώτο από αυτά τα στάδια είναι μια φάση εξερεύνησης, όπου οι βραχίονες εξερευνούν το περιβάλλον τους, ενώ το δεύτερο είναι μια φάση προσέγγισης, όπου κινούνται για να φτάσουν σε μια επιθυμητή τοποθεσία ή αντικείμενο.
«Ίσως το πιο σημαντικό στοιχείο από αυτή τη συγκεκριμένη εργασία είναι ότι αυτή είναι η πρώτη φορά που έχουν επιτραπεί σε περιττούς μαλακούς βραχίονες ρομπότ να φτάσουν σε δυνατότητες εκτός εργαστηριακού περιβάλλοντος, με ένα πολύ απλό πλαίσιο ελέγχου», είπε ο Donato. «Επιπλέον, ο ελεγκτής μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε μαλακόρομπότο βραχίονας παρείχε παρόμοια διάταξη ενεργοποίησης. Αυτό είναι ένα βήμα προς τη χρήση ενσωματωμένων στρατηγικών ανίχνευσης και κατανεμημένου ελέγχου σε συνεχόμενα και μαλακά ρομπότ».
Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές δοκίμασαν τον ελεγκτή τους σε μια σειρά δοκιμών, χρησιμοποιώντας έναν αρθρωτό, ελαφρύ και μαλακό ρομποτικό βραχίονα με καλώδιο, με 9 βαθμούς ελευθερίας (9-DoF). Τα αποτελέσματά τους ήταν πολλά υποσχόμενα, καθώς ο ελεγκτής επέτρεψε στον βραχίονα να εξερευνήσει το περιβάλλον του και να φτάσει σε μια θέση στόχο πιο αποτελεσματικά από άλλες στρατηγικές ελέγχου που προτάθηκαν στο παρελθόν.
Στο μέλλον, ο νέος ελεγκτής θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε άλλους μαλακούς ρομποτικούς βραχίονες και να δοκιμαστεί τόσο σε εργαστηριακές όσο και σε πραγματικές συνθήκες, για να αξιολογηθεί περαιτέρω η ικανότητά του να αντιμετωπίζει δυναμικές περιβαλλοντικές αλλαγές. Εν τω μεταξύ, ο Donato και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να αναπτύξουν περαιτέρω τη στρατηγική ελέγχου τους, ώστε να μπορεί να παράγει επιπλέον κινήσεις και συμπεριφορές ρομποτικού χεριού.
«Προσπαθούμε αυτή τη στιγμή να ενισχύσουμε τις δυνατότητες του ελεγκτή για να επιτρέψουμε πιο σύνθετες συμπεριφορές όπως η παρακολούθηση στόχων, η διόρθωση ολόκληρου του βραχίονα κ.λπ., για να επιτρέψουμε σε τέτοια συστήματα να λειτουργούν σε φυσικά περιβάλλοντα για μεγάλες χρονικές περιόδους», πρόσθεσε ο Donato.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-06-2023