То скорпион, то змея: модульный робот меняет форму и модель поведения, подстраиваясь под задание
Создание человекоподобных роботов, способных на лету превращаться в грузовики и самолёты, уже не за горами, благодаря разработке учёных Корнеллского и Пенсильванского университетов.
Робототехники представили "коллектив" модульных роботов, двигающихся вместе как одно устройство. При этом они способны быстро "рассыпаться" и преобразовываться в иную форму, более подходящую для поставленной задачи.
Разработка носит название MSRR, что означает "модульный самореконфигурируемый робот".
Модульный робот состоит из нескольких кубических ботов с колёсами (они расположены на всех четырёх сторонах) и основной конструкции. Боты крепятся друг к другу и общей "башне" при помощи магнитов.
MSRR сочетает в себе мощные инструменты восприятия с высокоуровневыми возможностями планирования. Как уже отмечалось выше, каждый модуль может отделиться от основной конструкции и изменить своё положение в новой суперструктуре.
За счёт изменения "частей тела" MSRR может трансформировать свои функции, двигательные возможности и, собственно, форму. Модульное оборудование контролируется и координируется центральным "мозгом" системы.
Система MSRR оборудована несколькими так называемыми инструментами восприятия, помогающими ему в навигации. Кроме того, каждый отделяемый модель оснащён 3D-камерой.
Каждый куб "общается" с центральной системой по Wi-Fi. Небольшой компьютер обрабатывает все эти входящие данные и управляет общими, коллективными движениями бота.
Используя данные камер, система строит трёхмерную карту окружающей среды по мере продвижения робота и отслеживает его местоположение на карте.
"Поскольку наша система предназначена для работы в неизвестных условиях, мы используемый алгоритм исследования, показывающий роботу, куда двигаться, чтобы изучить пока недоступные ему части окружающей среды", — поясняет робототехник Джонатан Дауделин (Jonathan Daudelin) из Корнеллского университета, участвовавший в создании модульного робота.
По мере изучения новой местности бот обнаруживает цветные объекты, связанные с его заданием (пример подобного поведения будет чуть ниже), и фиксирует их местоположение.
Ещё один инструмент восприятия анализирует трёхмерную карту окружающей среды, чтобы классифицировать тип условий, в которых приходится работать. Например, если бот "видит" объект, которые ему нужно взять, он определяет, находится ли он в свободном пространстве, узком тоннеле или на выступе.
Как говорит Дауделин, затем встроенный планировщик может использовать эту информацию, чтобы решить, нужно роботу изменить свою форму или нет.
Все вышеперечисленные инструменты помогают модульному роботу автоматически перемещаться по новой местности и выполнять задания.
Ранее исследовательская группа уже создала базу данных из 57 возможных конфигураций робота. Например, бот способен превращаться в "хоботок" (вытянутая форма устройства помогает захватить предмет), в "скорпиона" (кубы формируют Т-образую форму) и "змею" (все боты встают в одну линию).
"Библиотека" системы также включает в себя 97 различных моделей поведения, позволяющих устройству подбирать или "ронять" предметы, взбираться на выступы и двигаться вперёд и назад.
После активации модульный робот "просматривает" эти конфигурации и модели поведения, чтобы сформировать план действия для выполнения поставленной задачи.
Как говорят исследователи, благодаря этой разработке роботы впервые получили возможность самостоятельно решать задачи и перестраивать свою "общую" форму, анализируя задание и изучая окружающую среду.
Стоит поместить MSRR в новую среду и выдать ему задание (сбор мусора или отправку письма), первое, что он сделает, это создаст карту своего окружения. Затем система решает, требуется ли преобразование формы для достижения цели. Проще говоря, стоит ли MSRR превратиться в "хоботок", чтобы пробраться по узкому проходу.
Роботизированную систему успешно испытали в трёх различных экспериментах.
Сначала перед модульными роботами поставили задачу – найти, извлечь и доставить все розовые и зелёные объекты в область, отмеченную синим квадратом.
После изучения пространства в режиме "автомобиль" и обнаружения объекта бот изменил форму, выбрав "хоботок". Такая конфигурация помогла достать предмет, находящийся в узком коридоре. Затем бот снова изменил форму, чтобы перенести предмет в нужное место.
При выполнении второго задания бот должен был поместить предмет в коробку на вершине лестницы. Роботу понадобилось 24 попытки, чтобы справиться с заданием.
Согласно последнему заданию, робот должен был приклеить почтовую марку на отмеченную область коробки. С этим он тоже успешно справился.
"В целом модульные роботы – увлекательные системы, поскольку они не ограничены одной формой. В этом плане они универсальны", — говорит руководитель проекта Хадас Кресс-Газит (Hadas Kress-Gazit).
Дауделин считает, что подобные устройства станут незаменимыми помощниками в поисково-спасательных операциях и обезвреживании бомб.
"Обе области связаны с постоянно изменяющимися и неизвестными условиями окружающей среды, где могут пригодиться адаптивные возможности модульных роботов", — заключает он.
Кроме того, одну из вышедших из строя частей такого модульного "организма" всегда можно легко заменить.
Говоря о минусах разработки, можно отметить центральное управление системы, которое не всегда бывает эффективной в управлении сразу нескольких устройств. Ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали об автономных дронах, летающих стаей без центрального управления.
Конечно, робототехникам предстоит пройти ещё долгий путь, прежде чем будут созданы реальные "трансформеры". Но недавнее исследование стало очередным шагом в этом направлении.
Более подробно о разработке рассказывается в научной статье, опубликованной в издании Science Robotics.
Добавим, что ранее мы уже рассказывали о модульных роботах. Так, в 2017 году был представлено устройство CellRobot, способное трансформироваться бесконечно.