Fuerzas de la naturaleza

Suspendida sobre una cinta de correr en medio del Laboratorio de Robótica Biomimética, la creación más conocida de Sangbae Kim espera su próxima prueba. Cheetah III es un conjunto de articulaciones, circuitos y motores eléctricos. Al igual que el animal que comparte su nombre, el robot de cuatro patas pesa alrededor de 90 libras y es rápido y competente. Diseñado para saltar sobre obstáculos y abrirse camino a través de entornos difíciles a velocidades de hasta 3 metros por segundo, o 6,7 millas por hora, Cheetah III puede ir a casi cualquier lugar al que pueda ir un ser humano, con una supervisión mínima, dice Kim.

Por el momento, necesita protección de los paparazzi, al menos. Aunque carecen de características como el pelaje y las orejas, los bots Cheetah mantienen el carisma de los mamíferos. Cuando uno sale, para trotar por la avenida Massachusetts o saltar alrededor de un campo de fútbol del MIT, tiende a atraer a una multitud. En el video Ice Bucket Challenge de Kim de 2014, un modelo anterior de Cheetah se roba el espectáculo al patear el balde. Los miembros del laboratorio han empapelado las ventanas del 5-017 para que puedan trabajar.

Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica, obtiene sus ideas de la naturaleza. La biología nos guía hacia lo que puede ser posible, dice. Lo ha ayudado a crear máquinas que se mueven como insectos, lagartijas y gatos, sin mencionar que acumula cientos de miles de visitas en YouTube. Pero él no quiere detenerse allí. La última investigación de Kim se inspira en un animal particularmente inspirador: el humano.

Reinventando la pierna
En el Laboratorio de Robótica Biomimética en el sótano del Edificio 5, el Cheetah III está rodeado de máquinas más familiares. El laboratorio de Kim también funciona como una pequeña instalación de fabricación, con impresoras 3D, una cortadora láser, una taladradora y una fresadora CNC. Si bien la mayoría de los laboratorios de robótica utilizan piezas prefabricadas, Kim prefiere un enfoque de bricolaje. Básicamente, construimos todo lo que tenemos, dice.

Esto es prudente cuando se está fabricando y probando una nueva especie mecánica: en el transcurso de un duro día de ejercicio, el Cheetah solía pasar por un juego completo de almohadillas de poliuretano en las patas. (Ahora tiene de goma en su lugar.) Pero lo que es más importante, el enfoque de bricolaje permite que el equipo comience desde cero, sin restricciones por las suposiciones integradas en el hardware estándar. La forma en que se mueve es realmente diferente a la de la mayoría de los robots, porque en realidad diseñamos nuestro sistema nosotros mismos, dice Kim.

La mayoría de los compañeros de Cheetah están optimizados para fábricas. Son robots de fabricación, hechos para realizar el mismo conjunto de tareas una y otra vez, ya sea empacar una tarima o atornillar un perno. Son mucho más rápidos, más precisos y más consistentes que los humanos, dice Kim. Pero en realidad no interactúan con su entorno u objetos como lo hacemos nosotros.

Para demostrarlo, Kim realiza una acción humana clásica: toma su computadora portátil de la mesa. Es caricaturescamente torpe al respecto: sus antebrazos golpean la superficie de la mesa y sus manos golpean los lados de la pantalla, pero tanto el humano como la computadora portátil permanecen ilesos. Luego lo vuelve a dejar e imita cómo un robot de fábrica abordaría la misma tarea. Esta vez, desliza sus manos con gran concentración, desacelerando a medida que avanza. Cuando llega al objeto, apenas se mueve.

Tu forma de caminar es un millón de veces más asombrosa que la de los aviones de combate volando.

Un humano puede agarrar cosas en un segundo o menos, dice. ¿Pero un robot? Tiene que ser lento, porque no puede chocar. La misma rigidez que hace consistente a un robot de fábrica le impide absorber con seguridad la energía producida por un impacto. En cambio, esa energía termina rompiéndolo, o lo que sea con lo que esté tratando de interactuar. Esta limitación es paralizante para las máquinas que quieren, por ejemplo, caminar: después de todo, cada paso es una colisión, dice Kim. (Los vehículos también tienen problemas para adaptarse al suelo. Como señala Kim, los aviones y los barcos tienen la capacidad de correr por aire y por mar, pero hemos tenido que allanar el camino para el transporte terrestre con carreteras y vías férreas).

El primer prototipo de guepardo de Sangbae Kim tenía cabeza, columna vertebral y cola. El último corre como un guepardo pero ya no parece un animal, dice.

Cuando las personas intentan hacer robots que caminan y corren, a menudo comienzan con los mismos elementos que los de los bots industriales. Por ejemplo, cuando sea el momento de elegir un actuador, la parte de una máquina que transforma una fuente de energía en movimiento, optarán por uno hidráulico: fuerte y preciso, pero muy rígido e incapaz de absorber impactos. Colocarán el actuador en la cadera del robot y un sensor de fuerza en el pie. Cuando el robot camina, el sensor de fuerza determina la fuerza con la que golpea el suelo y le dice al actuador, que se ajusta en consecuencia.

En general, sin embargo, esta estrategia no funciona demasiado bien. Sientes la fuerza aquí [en el pie], pero tu actuador está muy lejos y es demasiado lento, explica Kim. Hay bastante masa y dinámica en el medio... se vuelve inestable. (Le gusta recalcar este punto con un supercorte del DARPA Robotics Challenge de 2015, en el que una serie de costosos robots bípedos de aspecto impresionante se derrumban como Terminators tranquilizados).

Entonces Kim decidió comenzar de nuevo, diseñando un nuevo tipo de actuador con diferentes prioridades. Su actuador es delgado y potente: tiene un par alto, por lo que puede generar mucha fuerza de rotación, pero está alimentado por un motor eléctrico liviano con una inercia de rotación mínima, lo que le permite cambiar rápidamente la velocidad a la que gira. El resto de la pierna del Cheetah está diseñado para ser lo más ligero y de menor fricción posible, dice.

Debido a que la pierna es delgada y liviana, la fuerza producida por el actuador apenas cambia cuando llega al pie, lo que hace innecesario un sensor de fuerza. Esto le da al Cheetah reflejos más rápidos: puede cambiar la cantidad de fuerza que ejerce unas 50 veces más rápido que los robots que usan actuadores y sensores de fuerza.

Un robot más torpe necesita un bucle de datos completo para activarse antes de que pueda calcular la fuerza con la que su pie golpea el pavimento y qué debe hacer a continuación. Pero cuando el guepardo aterriza tras saltar un obstáculo, los pies controlan las fuerzas necesarias para mantener el equilibrio y recuperarse inmediatamente después de chocar contra el suelo, dice Kim. (El diseño también puede absorber energía mucho más fácilmente: cuando el pie golpea el suelo, la fuerza del impacto viaja de regreso a la pierna y al actuador, recargando el motor en lugar de romperlo).

En lugar de sentir la fuerza, Cheetah se enfoca en averiguar dónde está en el espacio. Los sensores de posición de las articulaciones, los acelerómetros y los giroscopios envían constantemente datos a un conjunto de algoritmos, que funcionan para determinar cuándo y con qué fuerza es probable que cada pierna golpee el suelo a continuación. Cuando el pie de Cheetah pisa algo inesperado, por ejemplo, una roca que hace que su cuerpo se incline, esta información ayuda al robot a decidir si continúa su paso o retrocede. Si se compromete a dar un paso, otro algoritmo se activa para predecir cuánta fuerza aplicar para pasar por encima del objeto, o qué fuerza de compensación se necesita para ajustar su equilibrio si es empujado.

Este conjunto de prioridades ha permitido que Cheetah haga cosas que la mayoría de los otros bots no pueden hacer, como trotar y saltar. También es extremadamente eficiente: usa la energía con un poco menos de prudencia que un guepardo real, lo que lo coloca a leguas por delante de otros robots. Incluso puede maniobrar en su entorno sin cámaras. En un carrete destacado, un guepardo ciego corre por un parche de grava, sube un tramo de escaleras y se endereza repetidamente mientras un miembro del laboratorio lo pincha con un palo. Kim llama a su enfoque actuación propioceptiva, en honor al sexto sentido que les da a los humanos conciencia de la posición de nuestros cuerpos en el espacio.

Lograr tal estabilidad requiere sacrificar algo de precisión: tenemos un error del 10% o 15% [de control de fuerza] constantemente, dice Kim. Si bien eso puede no satisfacer a algunos ingenieros, el Cheetah es tan liviano y absorbe tanta energía que generalmente puede tolerar la tasa de error, incluso con fuertes impactos al correr y saltar.

Traducir el comportamiento de los seres vivos a términos mecánicos requiere una mentalidad de varios niveles. Todo el mundo en robótica está muy concentrado en su propia pequeña área: hay muchos grupos de software que piensan que todo se puede resolver con código, o grupos de hardware con hardware, dice João Ramos, PhD '18, uno de los posdoctorados del laboratorio. Sangbae tiene una vista integrada. Si desea resolver el problema, debe pensarlo a nivel de concepto, a nivel de hardware y software.

Este cambio de paradigma fue posible porque soy ingeniero mecánico, está de acuerdo Kim. Pienso en la dinámica de los cuerpos rígidos en lugar de [solo] escribir software. Varias compañías, incluida Boston Dynamics, ahora también usan su diseño de actuador en partes de sus robots.

Escalando
Kim adquirió el hábito de buscar nuevas formas de hacer las cosas mientras crecía en Seúl, Corea del Sur, viviendo en un espacio pequeño sin muchos recursos ni un taller. Construí muchas cosas, dice. Encontré todas las formas posibles de crear mis propias herramientas. Desarmó electrodomésticos para ver si podía volver a armarlos. Cuando sus amigos corrían con sus autos controlados por radio, él ponía su panza arriba y jugueteaba con él.

Como estudiante en la Universidad de Yonsei en Seúl, diseñó lo que entonces era el escáner 3D más económico del mundo. (También cumplió su período obligatorio en el ejército de Corea del Sur, una experiencia que, según él, intensificó su disgusto por la burocracia). Se unió a una nueva empresa que comercializaba el escáner pero, poco después de desarrollar el primer prototipo, se dio cuenta de que prefería inventar a afinar. y decidió regresar a la academia.

Cuando llegó a Stanford para graduarse en la escuela de posgrado en 2002, quería seguir trabajando en el diseño de hardware, pero se dio cuenta de que muchas tareas que antes requerían jugar con piezas móviles ahora se realizaban en computadoras. ¿Qué no puede ser reemplazado por la electrónica? él dice. Si tienes que trabajar en algo que interactúa físicamente con el entorno, no puede ser reemplazado por un código o un chip… Por eso entré en el mundo de la robótica.

Kim se unió al Laboratorio de Biomimética y Manipulación Diestra de Mark Cutkosky en Stanford. Me fascinaba cómo se mueven los animales, dice. Estaba enfocado en el principio 'Oh, esto es algo en los animales, vamos a replicarlo'. Trabajó en una máquina trepadora con forma de araña y un enjambre de robots inspirados en cucarachas que podían correr solos. Más tarde, como postdoctorado en Harvard, construyó una lombriz de tierra robótica autónoma. (Se mueve apretando sus segmentos en respuesta a una corriente eléctrica, y es lo suficientemente suave como para sobrevivir si lo pisan).

Pero su primer gran avance fue Stickybot, un robot que puede escalar paredes como un gecko. Al igual que las patas de un guepardo, las patas de un gecko logran dos cosas difíciles a la vez: pueden adherirse a una pared con gran fuerza, pero también pueden desprenderse de ella con gran velocidad. Si piensas en construir un traje de escalada, si tienes las manos muy pegajosas, puedes escalar la pared, pero si tus manos están tan pegajosas, no puedes subir. apagado la pared, dice Kim. Pero los geckos están corriendo.

Mini Cheetah, un Cheetah más pequeño, más seguro y más ágil, es para investigación y educación. Los datos se recopilan a través de su correa y los algoritmos de control se pueden cambiar de la misma manera.

En 2006, Kellar Autumn, biólogo de Lewis & Clark College, publicó un artículo que detalla exactamente cómo los geckos lo manejan. La clave está en los pequeños pelos de sus pies, que están estructurados para adherirse solo cuando se tira en una dirección. Kim usó el principio para crear el Stickybot y un adhesivo que él llama cinta gecko. Probablemente siga siendo mi proyecto favorito en términos de ciencia, dice. Desarrollamos un nuevo material, un nuevo concepto que no existía antes de que entendiéramos el gecko.

En 2009, Kim se unió a la facultad del MIT y, durante años, a menudo se reunía con Rodney Brooks en Starbucks para intercambiar ideas. (Brooks, el exdirector de CSAIL, se había marchado para fundar Rethink Robotics en 2008). Piensa en términos generales, dice Brooks, y prueba cosas que podrían asustar a otras personas. Brooks recuerda que en una conferencia de Amazon de 2017, Kim decidió descubrir cómo dar órdenes de voz a Cheetah usando un Amazon Echo. Cuando llegó su demostración a la mañana siguiente, pudo hablar con su robot por primera vez, dice. Ese fue un movimiento valiente.

Kim obtuvo la titularidad en 2016, y cada dos años enseña 2.74 (robótica bioinspirada), para la cual los estudiantes han creado bots que se balancean como un mono o saltan como un canguro. También es co-profesor 2.007 (Diseño y Fabricación). La clase de diseño de robótica histórica culmina en una competencia temática que siempre atrae a una multitud, y Kim y su co-instructor, Amos Winter, SM '05, PhD '11, se disfrazan para presentarla. El año pasado, Kim interpretó a Willy Wonka. Muchas de las conferencias de alto nivel que dio fueron sobre cómo inspirarse en la naturaleza, recuerda Selam Gano '18, quien tomó su clase de biomimética en 2017. Dice cosas como 'Cuando salgas de esta clase, quiero que simplemente mira tu mano y dice, ¡Guau, esto es increíble!'... Realmente infecta a todos con lo emocionado que está.

Empujarlo hasta el límite
A veces no sabes lo increíble que es realmente algo hasta que deja de funcionar. Por ejemplo, hace unos 15 años, Kim se rompió el tendón de Aquiles. Lo desconcertó: claro, estaba jugando al baloncesto en ese momento, pero no estaba haciendo nada elegante. Estaba caminando, dice. Fue raro. Su médico lo puso en seis meses de descanso en el sofá.

Kim, que desde entonces se cambió al tenis, no es fanática de descansar en el sofá. De todos modos, encontró la experiencia esclarecedora. Tus músculos son lo suficientemente fuertes como para arrancar tendones y dislocar articulaciones todo el tiempo, dice. Nuestros sistemas nerviosos siempre están ajustando cuidadosamente la cantidad de fuerza que necesitas generar. De alguna manera, su cuerpo había pasado por alto esto y había superado sus propios límites. Pero la mayor parte del tiempo, nos protegemos a nosotros mismos. A diferencia de esos torpes robots DARPA Challenge, logramos tener poder y control.

Estaba enfocado en el principio 'Oh, esto es algo en los animales, vamos a replicarlo'.

Es más, como los geckos escalando una pared, lo hacemos sin siquiera pensarlo. Tu forma de caminar es un millón de veces más asombrosa que la de los aviones de combate volando, dice Kim, recitando una lista de nuestras habilidades subconscientes. Podemos abrir puertas sin perder el equilibrio. Podemos trotar por la calle mientras estamos distraídos. Podemos desayunar mientras mantenemos una conversación, y no estamos pensando 'Oh, voy a mover este pequeño trozo de papa hacia el lado izquierdo de los dientes para que los dientes puedan triturarlo en un trozo de tamaño razonable, ' él dice. ¡Damos demasiadas cosas por sentadas!

Puede que nunca necesitemos un robot que mastique. Pero si queremos uno que sea excelente para mantenerse erguido, podría ser útil aprovechar nuestras propias habilidades, como lo hace otro de los proyectos de Kim. HERMES (que significa mecanismos robóticos altamente eficientes y sistema electromecánico) es un robot bípedo que usa los mismos actuadores únicos que el Cheetah. Pero en lugar de operar completamente por sí solo, es controlado por un humano, utilizando lo que Kim llama una interfaz de retroalimentación de equilibrio.

Para controlar HERMES, un operador humano usa un chaleco detector de movimiento especial y se para en una plataforma con sensores de fuerza integrados. Mediante el seguimiento y la transferencia de datos de movimiento en ambas direcciones a través de cables, el chaleco y la plataforma forjan una conexión experiencial entre humanos y robots. Digamos que se supone que HERMES abre una puerta pesada. El operador humano hace un movimiento de empuje y el robot hace lo mismo. Cuando HERMES golpea la puerta, el humano siente el impacto y ajusta su equilibrio en consecuencia. HERMES realiza los mismos ajustes y evita caídas. Los algoritmos modifican las fuerzas relevantes para que un humano que use el chaleco pueda controlar un robot más pequeño o uno de cuatro patas.

De esta forma, el sistema permite que tanto humanos como bots aporten sus fortalezas a la situación y minimicen sus debilidades. Los humanos somos inteligentes y buenos en el equilibrio y la manipulación fina, pero somos bastante frágiles. Los robots son fuertes y duros, pero necesitan mucha dirección. Kim quiere combinar esta tecnología con Cheetah, reemplazando una de sus piernas con un brazo robótico propioceptivo en el que está trabajando. El brazo une al ser humano con la máquina en una escala más delicada, lo que permite que el operador sienta lo que sucede cuando el robot agarra una cuerda o gira el pomo de una puerta.

Se imagina a un socorrista usando estas herramientas para explorar un área peligrosa. Tienes gafas [VR], y tal vez un comando de voz: 'Cheetah, ve a la habitación 507', dice. El guepardo se dirige rápidamente hacia allí, moviéndose de manera eficiente y evitando los escombros. Encuentra su objetivo: Oh, hay una fuga de gas y debe cerrar esta válvula. Luego, el bot puede pararse sobre tres patas mientras el humano manipula la cuarta pata, que también funciona como el brazo robótico, para ajustar la válvula.

Esta es mi gran visión: movilidad a nivel humano, en su mayoría autónoma, con la manipulación realizada principalmente por humanos, dice Kim. Estos tres componentes eventualmente nos permitirán hacer esto. Cuando puedan, añade, se abrirán más posibilidades. Kim puede imaginar sus robots en las casas de los ancianos, activados de forma remota cuando sea necesario por una persona en una sala de control: podrían brindar ayuda y privacidad a las personas que necesitan asistencia pero que aún quieren vivir solas.

O tal vez sus bots guepardo terminarán haciendo trabajos manuales peligrosos, guiados por trabajadores calificados instalados en lugares seguros cercanos. Él predice que en dos o tres años, Cheetah III podrá navegar en una planta de energía llena de radiación; en una década, su sucesor debería poder realizar trabajos más exigentes físicamente, como manipular escombros. Y en 15 a 20 años, piensa, podría entrar en un edificio en llamas y rescatar a la gente.

Pero Kim ha dejado de centrarse en copiar a otras criaturas por completo. Cuando imaginé por primera vez a mi robot corriendo, galopando como un guepardo, siempre pensaba en este hermoso cuerpo doblado, dice. Sin embargo, rápidamente se dio cuenta de que una columna vertebral flexible no haría que su robot fuera mejor en su trabajo final. Lo mismo ocurre con otros detalles: al principio, observaba la forma de cada hueso, las trayectorias, etc., dice. Todavía echo un vistazo a muchos estudios de biología para entender realmente lo que está pasando. Pero él los trata más como inspiración que como folletos de instrucciones: ahora estoy como, 'Está bien, cuatro patas está bien'.

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