Forces de la nature

Suspendue au-dessus d'un tapis roulant au milieu du laboratoire de robotique biomimétique, la création la plus connue de Sangbae Kim attend son prochain essai. Cheetah III est un ensemble de joints, de circuits et de moteurs électriques. Comme l'animal qui porte son nom, le robot à quatre pattes pèse environ 90 livres, et il est rapide et compétent. Conçu pour sauter par-dessus les obstacles et se frayer un chemin à travers des environnements difficiles à des vitesses allant jusqu'à 3 mètres par seconde, ou 6,7 miles par heure, Cheetah III peut aller presque partout où un humain peut aller, avec un minimum de supervision, explique Kim.

Pour le moment, il a besoin de protection contre les paparazzis, si rien d'autre. Bien qu'ils manquent de caractéristiques comme la fourrure et les oreilles, les robots Cheetah conservent un charisme de mammifère. Quand on sort – pour trotter sur Massachusetts Avenue ou sauter autour d'un terrain de football du MIT – cela a tendance à attirer une foule. Dans la vidéo Ice Bucket Challenge de Kim de 2014, un ancien modèle Cheetah vole la vedette en renversant le seau. Les membres du laboratoire ont tapissé les fenêtres du 5-017 afin qu'ils puissent faire leur travail.

Kim, professeur agrégé de génie mécanique, puise ses idées dans la nature. La biologie nous guide vers ce qui peut être possible, dit-il. Cela l'a aidé à fabriquer des machines qui se déplacent comme des insectes, des lézards et des chats, sans parler d'accumuler des centaines de milliers de vues sur YouTube. Mais il ne veut pas s'arrêter là. Les dernières recherches de Kim s'inspirent d'un animal particulièrement inspirant : l'humain.

Réinventer la jambe
Dans le laboratoire de robotique biomimétique au sous-sol du bâtiment 5, le Cheetah III est entouré de machines plus familières. Le laboratoire de Kim se double d'une petite usine de fabrication, avec des imprimantes 3D, un découpeur laser, une perceuse à colonne et une fraiseuse CNC. Alors que la plupart des laboratoires de robotique utilisent des pièces préfabriquées, Kim préfère une approche de bricolage. Nous construisons essentiellement tout ce que nous avons, dit-il.

C'est prudent lorsque vous fabriquez et testez une nouvelle espèce mécanique : au cours d'une dure journée d'exercice, le guépard avait l'habitude de passer par tout un ensemble de coussinets en polyuréthane. (Il en a maintenant des en caoutchouc à la place.) Mais plus important encore, l'approche de bricolage permet à l'équipe de repartir de zéro, sans être gênée par les hypothèses intégrées au matériel standard. La façon dont il se déplace est vraiment différente de la plupart des robots, car nous avons en fait conçu notre système nous-mêmes, explique Kim.

La plupart des pairs du Cheetah sont optimisés pour les usines. Ils fabriquent des robots, conçus pour effectuer le même ensemble de tâches encore et encore, qu'il s'agisse d'emballer une palette ou de visser un boulon. Ils sont beaucoup plus rapides, plus précis et plus cohérents que les humains, dit Kim. Mais ils n'interagissent pas réellement avec leur environnement ou leurs objets comme nous le faisons.

Pour le démontrer, Kim effectue une action humaine classique : saisir son ordinateur portable sur la table. Il est maladroit caricatural à ce sujet - ses avant-bras claquent sur la surface de la table et ses mains frappent les côtés de l'écran - mais l'homme et l'ordinateur portable restent indemnes. Puis il le repose et imite la façon dont un robot d'usine aborderait la même tâche. Cette fois, il glisse ses mains avec une grande concentration, ralentissant au fur et à mesure. Au moment où il atteint réellement l'objet, il bouge à peine.

Votre marche est un million de fois plus étonnante que le vol des chasseurs à réaction.

Un humain peut simplement saisir des choses en une seconde ou moins, dit-il. Mais un robot ? Il doit être lent, car il ne peut pas entrer en collision. La même rigidité qui rend un robot d'usine cohérent l'empêche d'absorber en toute sécurité l'énergie produite par un impact. Au lieu de cela, cette énergie finit par la briser, ou tout ce avec quoi elle essaie d'interagir. Cette limitation est paralysante pour les machines qui veulent, disons, marcher : après tout, chaque pas est une collision, dit Kim. (Les véhicules ont également du mal à s'adapter au sol. Comme le souligne Kim, les avions et les bateaux ont la course de l'air et de la mer, mais nous avons dû aplanir la voie pour le transport terrestre avec des routes et des voies ferrées.)

Le premier prototype Cheetah de Sangbae Kim avait une tête, une colonne vertébrale et une queue. Le dernier court comme un guépard mais ne ressemble plus à un animal, dit-il.

Lorsque les gens essaient de fabriquer des robots qui marchent et courent, ils commencent souvent avec les mêmes éléments que ceux des robots industriels. Par exemple, quand il s'agit de choisir un actionneur - la partie d'une machine qui transforme une source d'énergie en mouvement - ils opteront pour un actionneur hydraulique : solide et précis, mais très rigide et incapable d'absorber les chocs. Ils placeront l'actionneur à la hanche du robot et un capteur de force au pied. Lorsque le robot marche, le capteur de force détermine la force avec laquelle il frappe le sol et indique à l'actionneur, qui s'ajuste en conséquence.

En général, cependant, cette stratégie ne fonctionne pas très bien. Vous sentez la force ici [au pied], mais votre actionneur est loin et trop lent, explique Kim. Il y a pas mal de masse et de dynamique entre les deux… ça devient instable. (Il aime marteler ce point avec un supercut du DARPA Robotics Challenge 2015, dans lequel une série de robots bipèdes coûteux et impressionnants basculent comme des Terminators tranquillisés.)

Alors Kim a décidé de recommencer, en concevant un nouveau type d'actionneur avec des priorités différentes. Son actionneur est maigre et méchant - il a un couple élevé, il peut donc générer beaucoup de force de rotation, mais il est alimenté par un moteur électrique léger avec une inertie de rotation minimale, ce qui lui permet de changer rapidement la vitesse à laquelle il tourne. Le reste de la jambe du Cheetah est conçu pour être aussi léger et avec le moins de friction possible, dit-il.

Parce que la jambe est fine et légère, la force produite par l'actionneur change à peine au moment où il atteint le pied, ce qui rend inutile un capteur de force. Cela donne au Cheetah des réflexes plus rapides : il peut modifier la quantité de force qu'il exerce environ 50 fois plus rapidement que les robots qui utilisent à la fois des actionneurs et des capteurs de force.

Un robot plus maladroit a besoin de toute une boucle de données pour démarrer avant de pouvoir déterminer à quel point son pied vient de frapper le trottoir et ce qu'il doit faire ensuite. Mais lorsque le guépard atterrit après avoir sauté par-dessus un obstacle, les pieds contrôlent les forces nécessaires pour s'équilibrer et récupérer immédiatement après avoir heurté le sol, explique Kim. (La conception peut également absorber l'énergie beaucoup plus facilement - lorsque le pied touche le sol, la force d'impact remonte la jambe et dans l'actionneur, rechargeant le moteur plutôt que de le casser.)

Au lieu de sentir la force, le guépard se concentre sur la détermination de sa position dans l'espace. Les capteurs de position des articulations, les accéléromètres et les gyroscopes alimentent en permanence des données dans un ensemble d'algorithmes, qui travaillent pour déterminer quand et avec quelle force chaque jambe est susceptible de toucher le sol ensuite. Lorsque le pied du guépard marche sur quelque chose d'inattendu, par exemple un rocher qui fait basculer son corps, cette information aide le robot à décider s'il doit continuer son pas ou reculer. S'il s'engage sur une étape, un autre algorithme entre en jeu pour prédire la force à appliquer pour franchir l'objet ou la force de compensation nécessaire pour ajuster son équilibre s'il est bousculé.

Cet ensemble de priorités a permis au Cheetah de faire des choses que la plupart des autres robots ne peuvent pas faire, comme trotter et sauter. Il est également extrêmement efficace - il utilise l'énergie à peine moins judicieusement qu'un vrai guépard, ce qui le place à une longueur d'avance sur les autres robots. Il peut même manœuvrer dans son environnement sans caméras. Dans une bobine de faits saillants, un guépard aveugle traverse une plaque de gravier, monte un escalier et se redresse à plusieurs reprises alors qu'un membre du laboratoire le pousse avec un bâton. Kim appelle son approche actionnement proprioceptif, d'après le sixième sens qui donne aux humains conscience de la position de notre corps dans l'espace.

Atteindre une telle stabilité nécessite de sacrifier une certaine précision - nous avons constamment une erreur de 10% ou 15% [de contrôle de la force], dit Kim. Bien que cela puisse mécontenter certains ingénieurs, le Cheetah est si léger et absorbe l'énergie qu'il peut généralement tolérer le taux d'erreur, même avec de lourds impacts de la course et du saut.

Traduire le comportement des créatures vivantes en termes mécaniques nécessite un état d'esprit à plusieurs niveaux. Tout le monde dans la robotique est très concentré sur son propre petit domaine - il y a beaucoup de groupes de logiciels qui pensent que tout peut être résolu avec du code, ou des groupes de matériel avec du matériel, explique João Ramos, PhD '18, l'un des post-doctorants du laboratoire. Sangbae a une vue intégrée. Si vous voulez résoudre le problème, vous devez y penser au niveau du concept, du matériel et du logiciel.

Ce changement de paradigme a été possible parce que je suis ingénieur en mécanique, reconnaît Kim. Je pense à la dynamique des corps rigides au lieu d'écrire [uniquement] des logiciels. Plusieurs entreprises, dont Boston Dynamics, utilisent désormais également sa conception d'actionneur dans certaines parties de leurs robots.

Grimper
Kim a pris l'habitude de chercher de nouvelles façons de faire les choses en grandissant à Séoul, en Corée du Sud, vivant dans un petit espace sans beaucoup de ressources - ou un atelier. J'ai construit beaucoup de choses, dit-il. J'ai trouvé tous les moyens possibles pour créer mes propres outils. Il a démonté des appareils électroménagers pour voir s'il pouvait les reconstituer. Lorsque ses amis faisaient la course avec leurs voitures radiocommandées, il mettait son ventre en l'air et bricoler avec.

En tant qu'étudiant à l'Université Yonsei de Séoul, il a conçu ce qui était alors le scanner 3D le moins cher au monde. (Il a également effectué son passage obligatoire dans l'armée sud-coréenne, une expérience qui, selon lui, a intensifié son dégoût pour la bureaucratie.) Il a rejoint une startup qui commercialisait le scanner mais, peu de temps après avoir développé le premier prototype, il s'est rendu compte qu'il préférait inventer plutôt que peaufiner. et a décidé de retourner à l'université.

Lorsqu'il est arrivé à Stanford pour ses études supérieures en 2002, il voulait continuer à travailler dans la conception de matériel, mais s'est rendu compte que de nombreuses tâches qui nécessitaient autrefois de bricoler des pièces mobiles se produisaient désormais sur des ordinateurs. Qu'est-ce qui ne peut pas être remplacé par l'électronique ? il dit. Si vous devez travailler sur quelque chose qui interagit physiquement avec l'environnement, cela ne peut pas être remplacé par un morceau de code ou une puce… C'est pourquoi je suis entré dans le monde de la robotique.

Kim a rejoint le laboratoire de biomimétique et de manipulation habile de Mark Cutkosky à Stanford. J'étais fasciné par la façon dont les animaux se déplacent, dit-il. J'étais concentré sur le principe 'Oh, c'est quelque chose chez les animaux - reproduisons-le'. Il a travaillé sur une machine d'escalade en forme d'araignée et sur un essaim de robots inspirés des cafards qui pouvaient fonctionner par eux-mêmes. Plus tard, en tant que post-doctorant à Harvard, il a construit un ver de terre robotique autonome. (Il se déplace en serrant ses segments en réponse à un courant électrique, et il est suffisamment mou pour survivre au piétinement.)

Mais sa première grande percée a été Stickybot, un robot qui peut escalader les murs comme un gecko. Comme les pattes de guépard, les pattes de gecko accomplissent deux choses difficiles à la fois : elles peuvent adhérer à un mur avec une grande force, mais elles peuvent aussi s'en détacher très rapidement. Si vous songez à fabriquer une combinaison d'escalade, si vous avez les mains vraiment collantes, vous pouvez escalader le mur, mais si vos mains sont si collantes, vous ne pouvez pas vous en sortir. désactivé le mur, dit Kim. Mais les geckos accourent.

Mini Cheetah, un Cheetah plus petit, plus sûr et plus agile, est destiné à la recherche et à l'éducation. Les données sont collectées via son lien et les algorithmes de contrôle peuvent être modifiés de la même manière.

En 2006, Kellar Autumn, biologiste au Lewis & Clark College, a publié un article détaillant exactement comment les geckos le gèrent. La clé réside dans de minuscules poils sur leurs pieds, qui sont structurés pour coller uniquement lorsqu'ils sont tirés dans une direction. Kim a utilisé le principe pour créer le Stickybot et un adhésif qu'il appelle gecko tape. C'est probablement encore mon projet préféré en termes de science, dit-il. Nous avons développé un nouveau matériau, un nouveau concept qui n'existait pas avant que nous comprenions le gecko.

En 2009, Kim a rejoint la faculté du MIT et, pendant des années, il a souvent rencontré Rodney Brooks chez Starbucks pour lancer des idées. (Brooks, l'ancien directeur de CSAIL, était parti pour fonder Rethink Robotics en 2008.) Il pense largement, dit Brooks, et essaie des choses qui pourraient effrayer les autres. Brooks se souvient que lors d'une conférence Amazon en 2017, Kim a décidé de comprendre comment donner des commandes vocales au guépard à l'aide d'un Amazon Echo. Au moment où sa démo est arrivée le lendemain matin, il a pu parler à son robot pour la première fois, dit-il. C'était une décision audacieuse.

Kim a été titularisé en 2016 et tous les deux ans, il enseigne 2.74 (Bio-Inspired Robotics), pour lequel les étudiants ont créé des robots qui se balancent comme un singe ou sautent comme un kangourou. Il co-enseigne également 2.007 (Conception et Fabrication). Le cours de conception de robotique historique se termine par un concours thématique qui attire toujours une foule, et Kim et son co-instructeur, Amos Winter, SM '05, PhD '11, se déguisent en costumes pour l'animer. L'année dernière, Kim a joué Willy Wonka. De nombreuses conférences de haut niveau qu'il a données portaient sur la façon de s'inspirer de la nature, se souvient Selam Gano 2018, qui a suivi son cours de biomimétique en 2017. Il dira des choses comme 'Quand tu quitteras ce cours, je veux que tu regarde ta main et sois comme, Wow, c'est incroyable! '… Il infecte vraiment tout le monde avec son excitation.

Pousser à la limite
Parfois, vous ne savez pas à quel point quelque chose est vraiment incroyable jusqu'à ce qu'il cesse de fonctionner. Par exemple, il y a environ 15 ans, Kim s'est rompu le tendon d'Achille. Cela l'a bouleversé : bien sûr, il jouait au basket à l'époque, mais il ne faisait rien d'extraordinaire. Je marchais juste, dit-il. C'était étrange. Son médecin lui a imposé six mois de repos sur le canapé.

Kim, qui est depuis passée au tennis, n'est pas fan du repos sur le canapé. Néanmoins, il a trouvé l'expérience enrichissante. Vos muscles sont assez forts pour arracher les tendons et disloquer les articulations tout le temps, dit-il. Nos systèmes nerveux ajustent toujours soigneusement la quantité de force que vous devez générer. D'une manière ou d'une autre, son corps avait contourné cela et il avait dépassé ses propres limites. Mais la plupart du temps, nous nous protégeons. Contrairement à ces robots maladroits du DARPA Challenge, nous parvenons à avoir à la fois pouvoir et contrôle.

J'étais concentré sur le principe 'Oh, c'est quelque chose chez les animaux - reproduisons-le.'

De plus, comme des geckos escaladant un mur, nous le faisons sans même y penser. Votre marche est un million de fois plus étonnante que le vol des chasseurs à réaction, dit Kim, débitant une liste de nos compétences subconscientes. Nous pouvons ouvrir des portes sans perdre l'équilibre. Nous pouvons faire du jogging dans la rue tout en étant distraits. Nous pouvons prendre le petit déjeuner pendant que nous poursuivons une conversation, et nous ne pensons pas 'Oh, je déplace ce petit morceau de pomme de terre vers le côté gauche des dents pour que les dents puissent l'écraser en un morceau de taille raisonnable, ' il dit. Nous tenons trop de choses pour acquises !

Nous n'aurons peut-être jamais besoin d'un robot qui mâche. Mais si nous en voulons un qui est doué pour rester debout, cela pourrait aider à puiser dans nos propres capacités, comme le fait un autre des projets de Kim. HERMES (qui signifie mécanismes robotiques et système électromécanique hautement efficaces) est un robot bipède qui utilise les mêmes actionneurs uniques que le Cheetah. Mais au lieu de fonctionner complètement seul, il est contrôlé par un humain, en utilisant ce que Kim appelle une interface de retour d'équilibre.

Pour contrôler HERMES, un opérateur humain porte un gilet spécial détecteur de mouvement et se tient sur une plate-forme avec des capteurs de force intégrés. En suivant et en transférant les données de mouvement dans les deux sens via des câbles, le gilet et la plate-forme établissent une connexion expérientielle entre l'homme et le robot. Disons qu'HERMÈS est censé ouvrir une lourde porte. L'opérateur humain fait un mouvement de poussée, et le robot emboîte le pas. Lorsque HERMES frappe la porte, l'humain ressent l'impact et ajuste son équilibre en conséquence. HERMES fait les mêmes réglages et évite de tomber. Des algorithmes modifient les forces pertinentes afin qu'un humain portant le gilet puisse contrôler un robot plus petit ou à quatre pattes.

De cette façon, le système permet à la fois à l'homme et au bot d'apporter leurs forces à la situation tout en minimisant leurs faiblesses. Les humains sont intelligents et bons pour équilibrer et manipuler finement, mais nous sommes assez fragiles. Les robots sont forts et résistants, mais ils ont besoin de beaucoup de direction. Kim veut combiner cette technologie avec le Cheetah, en remplaçant l'une de ses jambes par un bras robotique proprioceptif sur lequel il travaille. Le bras relie l'homme à la machine à une échelle plus délicate, permettant à l'opérateur de ressentir ce qui se passe lorsque le robot saisit une corde ou tord une poignée de porte.

Il imagine un premier intervenant utilisant ces outils pour explorer une zone dangereuse. Vous avez des lunettes [VR] et peut-être une commande vocale : 'Cheetah, allez dans la chambre 507', dit-il. Le guépard s'y rend rapidement, se déplaçant efficacement et évitant les débris. Il trouve sa cible : Oh, il y a une fuite de gaz, et vous devez fermer cette vanne. Le bot peut alors se tenir sur trois jambes pendant que l'humain manipule la quatrième jambe - qui sert également de bras robotique - pour régler la valve.

C'est ma grande vision : la mobilité au niveau humain, principalement autonome, avec la manipulation principalement effectuée par des humains, dit Kim. Ces trois composantes nous permettront éventuellement de le faire. Quand ils le pourront, ajoute-t-il, d'autres possibilités s'ouvriront. Kim peut imaginer ses robots dans les maisons des personnes âgées, activés à distance si nécessaire par une personne dans une salle de contrôle : ils pourraient fournir à la fois de l'aide et de l'intimité aux personnes qui ont besoin d'aide mais qui veulent quand même vivre seules.

Ou peut-être que ses robots guépards finiront par effectuer un travail manuel dangereux, guidés par des travailleurs qualifiés installés dans des endroits sûrs à proximité. Il prédit que dans deux à trois ans, Cheetah III pourra naviguer dans une centrale électrique remplie de radiations ; dans une décennie, son successeur devrait être capable d'effectuer des travaux plus exigeants physiquement, comme la manipulation de débris. Et dans 15 à 20 ans, pense-t-il, il pourrait pénétrer dans un bâtiment en feu et sauver des personnes.

Mais Kim a cessé de se concentrer sur la copie d'autres créatures. Quand j'ai imaginé pour la première fois mon robot courir, galoper comme un guépard, je pensais toujours à ce beau corps qui se plie, dit-il. Il s'est vite rendu compte, cependant, qu'une colonne vertébrale souple ne rendrait pas son bot meilleur dans son travail éventuel. Il en va de même pour les autres détails : au début, je regardais chaque forme d'os, les trajectoires, etc., dit-il. Je regarde encore beaucoup d'études de biologie pour vraiment comprendre ce qui se passe. Mais il les traite plus comme une source d'inspiration que comme des livrets d'instructions : maintenant, je me dis : 'D'accord, quatre pattes, c'est bien.'

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