Инженеры разработали подводного робота для моделирования работы центральной и периферической нервной систем и их взаимного влияния на движение (локомоцию) подводных позвоночных, таких как миноги и угри. Робот длиной 1,2 метра и весом более четырех килограмм имеет змеевидное тело, состоящее из десяти отдельных сегментов, каждый из которых оборудован сервомотором и датчиками давления. Они служат для определения гидродинамических сил, воздействующих на тело робота во время движения, аналогично чувствительным к давлению клеткам на коже животных. Результаты экспериментов и численного моделирования показали, что даже в случае серьезного нарушения в работе элементов системы управления, соответствующих центральной нервной системе, робот сохраняет способность двигаться благодаря работе системы обратной связи, регистрирующей ответное воздействие среды на движения робота через датчики давления. В будущем такая нейромеханическая система управления может значительно повысить отказоустойчивость роботов, предназначенных для подводных работ в труднодоступных местах, таких как трубы, подводные пещеры и подледные озера, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.
По современным представлениям за локомоцию у позвоночных животных отвечают так называемые центральные генераторы упорядоченной активности — сети нейронов, расположенные в спинном мозге, которые порождают локомоторные ритмы — благодаря им живой организм может шагать, бегать, плавать, а также дышать. Причем эти действия осуществляются автоматически и не требуют вмешательства более высоких отделов нервной системы, хотя и могут регулироваться ими.
При этом периферическая нервная система, которая, в частности, отвечает за передачу сигналов от внешних раздражителей, на которые организм реагирует в форме рефлексов, может влиять на локомоцию, выполняя роль сенсорной обратной связи. Она способна модулировать ритмы центральных ритмогенераторов, позволяя организму тем самым адаптироваться к изменяющимся внешним условиям. Например, изменять шаг при встрече с препятствием.
Наблюдения за некоторыми животными показывают, что роль сенсорной обратной связи в формировании движений может быть существеннее, чем просто модуляция локомоторных ритмов, вырабатываемых центральными генераторами. К примеру, повреждение спинного мозга, нарушающее работу генераторов локомоторных ритмов, для некоторых плавающих организмов, таких как угри и миноги, не приводит к их полному обездвиживанию. Животные сохраняют способность плавать, совершая волнообразные движения тела. Для того чтобы разобраться, почему так происходит, необходимо понять, как в этом случае взаимодействуют друг с другом центральная и периферическая нервные системы, что довольно сложно сделать на живом организме.
Для решения это задачи инженеры под руководством Робина Тандиакала (Robin Thandiackal) из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали подводного робота AgnathaX, выступившего в роли модельного объекта. Робот весом 4,2 килограмма имитирует миногу — представителя надкласса бесчелюстных, которые имеют вытянутое змеевидное тело и плавают, совершая волнообразные движения.
Корпус робота длиной 1250 миллиметров состоит из десяти оснащенных сервомоторами сегментов, головного модуля с одноплатным компьютером и пассивной хвостовой секции. Для питания устройства используются три литий-полимерных аккумулятора суммарной емкостью 3800 миллиампер-час, которых хватает для работы в течение 30 минут.
Весь корпус с электронными компонентами помещен в мягкий водонепроницаемый рукав из ткани рипстоп. Снаружи на каждом модуле располагаются гидродинамические сенсоры, которые имитируют чувствительные к внешнему давлению клетки на коже животного. Сенсоры размещаются по бокам каждого сегмента и представляют собой пластины из углеродного волокна, прикрепленные к тензодатчикам. Они регистрируют информацию о силе, с которой поток воды воздействует на секцию тела во время движения.
Для того чтобы робот не переворачивался, на верхней части каждой секции установлены цилиндрические поплавки со встроенными светодиодами. Они используются для отслеживания движений AgnathaX с помощью камер, расположенных над бассейном, в котором проводятся эксперименты.
Бортовой компьютер робота под управлением Linux получает сигналы с боковых сенсоров, а также информацию о текущем состоянии сервомоторов всех сегментов (положение, напряжение и ток) с частотой 100 Герц. Он вычисляет управляющие сигналы и отправляет их обратно на сервомоторы, которые имитируют мышцы настоящей миноги, заставляя их вращаться и формироваться волнообразное движение всего тела.
Параллельно разработчики построили математическую модель, которая описывает волнообразное движение робота в водной среде. Модель учитывает работу центральной и периферической нервной систем, деформацию тела и работу мышц и вычисляет углы, на которые должны быть повернуты сервомоторы робота. Полученные в ходе симуляции результаты можно тестировать на настоящем устройстве, что в свою очередь помогает улучшить модель, приближая ее к реальности.
Центральная нервная система в модели содержит осцилляторы, имитирующие сигналы генераторов локомоторных ритмов спинного мозга для каждого сегмента, а также учитывает связи между соседними сегментами за счет запаздывания фазы. Сигналами периферической нервной системы выступает информация о давлении от боковых датчиков каждого сегмента. Эти сигналы играют роль сенсорной обратной связи, которую животное получает во время своего движения от расположенных на поверхности кожи чувствительных клеток, реагирующих на давление.
Для того чтобы оценить вклад всех моделируемых компонентов на локомоцию, инженеры проводили эксперименты с моделью в симуляторе и с реальным роботом в бассейне, в которых выключали тот или иной элемент центральной и периферической нервных систем робота из работы на разном числе сегментов. В результате выяснилось, что при разрыве связи между всеми сегментами тела, когда генераторы ритма всех модулей работают независимо и не знают о состоянии друг друга, а также при полном отключении всех генераторов ритма, что соответствует серьезному повреждению позвоночника, робот все равно сохраняет возможность волнообразного движения вперед, так же как и настоящие угри и миноги.
В первом случае отсутствие связи между сегментами тела через некоторый промежуток времени компенсируется благодаря сенсорной обратной связи за счет сигналов от боковых датчиков давления и возникающего при этом явления синхронизации колебаний. То есть изначально работающие вразнобой сегменты приходят к самоорганизованному волнообразному движению, за счет гидродинамических сил, возникающих как ответ на спонтанные движения сегментов тела в воде. Во втором случае возникает схожий эффект, только при полном отсутствии внутренней ритмогенерации. При включенной сенсорной обратной связи постепенно возникают и нарастают колебания всего тела, которые заставляют робота плыть вперед.
Таким образом, отмечают авторы работы, наличие двух систем позволяет значительно повысить отказоустойчивость подводных роботов, которые используют рассмотренную модель управления. В случае выхода из строя части элементов системы управления, составляющих центральную нервную систему, сенсоров давления, шин данных, обеспечивающих связь между сегментами или даже при отказе отдельных сегментов целиком, робоминога будет способна продолжать движение. В будущем авторы работы планируют расширить возможности робота, добавив ему способность полноценно перемещаться в трех измерениях и изменять направление движения, а также исследовать движение робота в сильных течениях.
При создании роботов инженеры зачастую используют животных как пример для подражания, так как считается, что в ходе эволюции они приобрели черты, позволяющие им действовать наиболее эффективным образом. Например, инженеры из Австралии проанализировали с помощью алгоритмов машинного обучения движения домовых гекконов, а затем использовали эти данные при разработке робота, способного передвигаться по вертикальным поверхностям.
И научились раскладывать вещи по коробкам
Компания Tesla показала обновленных роботов Tesla Bot, известных также как Optimus. В опубликованном видео роботы ходят в помещениях и на улице, составляют карту окружения и перемещают небольшие предметы. Также на видео показана возможность обучения робота новым действиям путем копирования движений человека. За последнее десятилетие в разработке человекоподобных роботов произошел существенный прогресс. На место неуклюжих устройств, которые еще недавно испытывали проблемы с поддержанием равновесия при ходьбе, приходят роботы, способные бегать, танцевать и даже выполнять акробатические трюки, как популярный робот Atlas от компании Boston Dynamics. Одновременно с этим все большее число компаний присоединяется к разработке человекоподобных роботов. В 2021 году генеральный директор компании Tesla Илон Маск анонсировал разработку человекоподобного робота Tesla Bot. В сентябре 2022 года в рамках мероприятия AI Day состоялась презентация двух первых прототипов. Один из них мог стоять, поддерживая равновесие, самостоятельно передвигаться по сцене на ногах и двигать руками. Участники презентации показали несколько видео, демонстрирующих передвижение робота в помещениях офиса компании и взаимодействие Tesla Bot с предметами с помощью человекоподобных рук с пятью пальцами. Второй робот демонстрировал новый дизайн корпуса, но при этом не мог самостоятельно передвигаться. Также сообщались некоторые технические характеристики прототипа. Емкость его батареи составляет 2,3 киловатт-часа, а в качестве компьютера используются те же компьютеры, что и в автомобильных автопилотах компании. Кроме того, для навигации в пространстве робот будет использовать доработанные алгоритмы автомобильного автопилота. https://www.youtube.com/watch?v=XiQkeWOFwmk 16 мая 2023 года на ежегодной встрече акционеров компании Tesla Илон Маск представил видео, демонстрирующее некоторые возможности текущей версии робота. В нем можно увидеть, как роботы Tesla Bot медленно шагают по офису и в гараже с электрическими пикапами Tesla Cybertruck, а также выполняют некоторые простые действия, например, перекладывают предметы из одного контейнера в другой. Дизайн верхней части их корпуса соответствует версии, представленной осенью 2022 года. В одной из сцен показана работа манипуляторов, имитирующих строение человеческой кисти с подвижными пальцами. Ими робот может осторожно обхватывать, поднимать и перемещать предметы. Обучать робота таким движениям можно с помощью системы, отслеживающей движения человека. По оценке главы Tesla, в будущем спрос на роботов подобных Optimus может достигнуть от 10 до 20 миллионов штук. Ранее мы рассказывали о создаваемом компанией Agility Robotics человекоподобном роботе Digit. В последней версии у него наконец появилась голова с большими светодиодными глазами, а также подвижные манипуляторы на концах рук, с помощью которых он может лучше обхватывать переносимые им контейнеры.