Les robots qui fonctionnent de cette façon

Dans la voie des stands de l'autoroute Homestead-Miami en Floride, à l'intérieur d'une piste sur laquelle les voitures de course roulent parfois à plus de 300 kilomètres à l'heure, une petite foule regarde quelque chose de considérablement plus lent mais sans doute beaucoup plus impressionnant. Par un samedi matin ensoleillé juste avant Noël, un robot qui ressemble à peu près à une grande personne envisage une porte de fortune sur le tarmac devant. Il inspecte la porte à l'aide d'un scanner laser et d'une paire de caméras dans sa tête ; puis, après une longue pause, le robot étend un bras d'aluminium étincelant, pousse la porte et entre lentement.

Le robot, appelé Atlas et fabriqué par Boston Dynamics, participe au concours de robotique DARPA, organisé par la U.S. Defense Advanced Research Projects Agency. Au cours du week-end, des robots de formes et de conceptions variées, tous contrôlés à distance, tentent des défis destinés à tester les limites de la détection artificielle, de la manipulation et de l'agilité. Chaque tâche est inspirée de travaux qui pourraient aider à endiguer une fuite dans une centrale nucléaire sinistrée. Les tâches sont apparemment simples, mais pas pour les robots. Dans l'une, les machines doivent traverser un tas de décombres ; dans un autre, ils doivent gravir une grande échelle.

De nombreux robots ont du mal à accomplir les tâches sans dysfonctionnement, gel ou basculement. De tous les défis auxquels ils sont confrontés, l'un des plus difficiles, et potentiellement le plus important à maîtriser, consiste simplement à marcher sur un sol inégal, instable ou simplement encombré. Mais les robots Atlas (plusieurs groupes universitaires sont entrés dans des versions de la machine Boston Dynamics) traversent un tel terrain avec une confiance impressionnante.

Deux fois par jour, la foule peut voir deux autres robots à pattes fabriqués par Boston Dynamics. Dans une démonstration, une machine à quatre pattes de la taille d'un cheval trotte le long de la piste en transportant plusieurs gros sacs ; il remue intelligemment ses pieds pour rester debout lorsqu'il est momentanément déséquilibré par un coup de pied lourd de son opérateur. Dans un autre, une machine à quatre pattes plus petite et plus agile fait tourner un puissant moteur diesel, puis bondit comme un gros chat sur la piste de course, atteignant rapidement près de 20 milles à l'heure.

La foule, remplie de chercheurs en robotique du monde entier et de curieux, halète et applaudit. Mais la technologie de marche et de course trouvée dans les machines développées par Boston Dynamics est plus qu'éblouissante. Si cela peut être amélioré, alors ces robots, et d'autres comme eux, pourraient sortir des laboratoires de recherche et peupler le monde de machines mobiles intelligentes. Cela aide à expliquer pourquoi quelques jours avant le DARPA Challenge, Boston Dynamics a été racheté par Google.

Partie 1
Apprendre à sauter

Quelques mois avant le concours DARPA, j'ai visité Boston Dynamics, qui occupe un bâtiment d'apparence ordinaire en bordure d'un parc industriel calme à Waltham, Massachusetts, à 20 minutes en voiture de Boston. Dans l'entrée, des robots à quatre pattes de formes et de tailles diverses semblent monter la garde. Dans le grand atelier à l'intérieur, des dizaines d'ingénieurs ont bricolé toutes sortes de bêtes mécaniques. Dans un coin, une petite machine à quatre pattes avec un long cou et une pince au lieu d'une tête utilisait l'appendice pour lancer des parpaings sur le sol.

Toutes ces machines trouvent leur origine dans les travaux révolutionnaires de Marc Raibert, fondateur et directeur de la technologie de Boston Dynamics. Sur le mur du bureau de Raibert, à côté d'une grande affiche montrant Atlas dans les moindres détails techniques, se trouve une petite affiche identifiant divers dinosaures. Il se souvient s'être intéressé à la locomotion animale alors qu'il préparait un doctorat au département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT à la fin des années 1970, lorsque deux éminents physiologistes sont venus parler de la recherche sur la locomotion des chats. Fasciné par la façon dont un cerveau peut produire une telle agilité sans effort, Raibert a élaboré un plan pour commencer à construire des machines pour explorer le phénomène lorsqu'il a décroché un poste de professeur adjoint à l'Université Carnegie Mellon en 1980.

D'autres universitaires avaient construit des machines à marcher. Certains avaient de nombreuses jambes, pour s'assurer que soulever l'une d'entre elles pour avancer ne les déséquilibrerait pas. D'autres se sont déplacés avec une extrême prudence et délibérément pour maintenir un équilibre précaire. Les machines étaient maladroites, lentes et dans l'ensemble une piètre imitation de la plupart des locomotions biologiques. Dans de nombreux cas, même le moindre glissement ou poussée les ferait tomber.

Faisant preuve d'une perspicacité remarquable, Raibert a décidé que son premier robot marcheur ne serait pas conçu pour éviter l'instabilité que le mouvement peut introduire ; il l'embrasserait. Au lieu de six pattes ou même quatre, il n'en a donné qu'une.

Le robot devrait rebondir sur sa seule jambe, évaluer son propre mouvement et son orientation à chaque saut, et ajuster rapidement la position de sa jambe et de son corps ainsi que la quantité d'énergie que sa jambe dépenserait au prochain saut. Les calculs étaient étonnamment simples.

Remarquablement, le robot a parfaitement fonctionné, sautillant comme un pogo stick possédé. Alors que la première version était limitée dans son mouvement, la suivante pouvait sauter librement dans le laboratoire. Je m'en souviens encore, je pense que c'était un jour d'août 1983, se souvient Raibert. Nous étions tous debout, souriants. Nous poussions la machine et elle se déplaçait à travers la pièce jusqu'à ce que l'autre gars l'obtienne, puis il la repoussait.

Raibert savait qu'un animal sauteur devient déséquilibré en sautant et doit constamment s'adapter, et qu'il utilise la gravité pour se déplacer. Le robot sauteur rudimentaire a résolu les mêmes problèmes et a montré comment construire des machines plus agiles. Cela me ressemblait à la dynamique du [mouvement biologique], où il y a beaucoup d'énergie et de mouvement, où il y a un basculement tout le temps - que ce sont vraiment les caractéristiques que vous vouliez obtenir, se souvient-il.

Inspirés par le succès de l'approche, Raibert et ses étudiants ont commencé à construire d'autres machines à pattes en utilisant ce que les roboticiens appellent l'équilibre dynamique, une capacité à utiliser le mouvement pour maintenir l'équilibre. La version suivante trottait sur deux pattes avant et deux pattes arrière. D'autres robots avaient des articulations, des actionneurs et des logiciels de contrôle beaucoup plus sophistiqués.

En 1986, le Leg Lab de Raibert est passé de la CMU au MIT, où il a développé d'autres robots capables de marcher, de rebondir, de courir et de sauter d'une manière qui semblait souvent étrangement reconnaissable. Les machines avaient des noms inspirés de leurs homologues biologiques. Spring Flamingo et Spring Turkey se pavanaient dans le laboratoire comme des oiseaux géants, tandis qu'Uniroo sautillait en utilisant une queue pour l'équilibre, comme un kangourou maladroit à une patte.

Raibert a fondé Boston Dynamics en 1995, initialement pour vendre des logiciels de simulation développés dans son laboratoire. Mais la société a également été consultée sur des projets de robotique commerciale, notamment le développement d'AIBO et de QRIO, des jouets robotiques fabriqués par Sony en 1999 et 2003, respectivement. Et un contrat avec la DARPA, en 2003, a permis à Boston Dynamics de commencer à fabriquer ses propres machines à pattes.

Partie 2
Apprendre à courir

Gros chien

En 2003, armé d'un contrat DARPA pour la création d'un prototype de véhicule capable de suivre des troupes sur un terrain inaccessible aux véhicules à roues ou à chenilles, Boston Dynamics a commencé à développer BigDog, une machine à quatre pattes à peu près de la taille d'un gros bouvier bernois. Le robot devait être capable de naviguer sur un terrain du monde réel désordonné et imprévisible. Cela signifiait qu'il devait être robuste, exceptionnellement agile, capable de transporter sa propre source d'alimentation et capable de détecter son propre mouvement - et l'environnement - avec plus de détails que n'importe laquelle des machines à pied construites auparavant.

La plupart des travaux de laboratoire que nous avions effectués jusqu'à ce que BigDog se soient déroulés dans un environnement de laboratoire plutôt inoffensif, explique Raibert. C'était propre, c'était sec et c'était plat.

La machine résultante était propulsée par un moteur de karting et utilisait 69 capteurs pour surveiller le mouvement de ses jambes, les forces exercées sur ces membres et des facteurs tels que la température et la pression hydraulique. En utilisant l'équilibre dynamique, il pouvait marcher sur le sable, la neige et même la glace. Plus spectaculaire encore, il pouvait rester sur ses pieds lorsqu'on lui donnait un coup de pied fort. BigDog peut être piloté à distance, mais son comportement d'équilibrage, comme celui des autres robots Boston Dynamics, est automatiquement contrôlé par un ordinateur de bord.

LS3

Avec un financement militaire supplémentaire, y compris de l'argent des Marines, Boston Dynamics a commencé à construire une version plus grande et plus puissante de BigDog en 2009. Surnommé Alpha Dog, mais officiellement appelé Legged Squad Support System, ou LS3, le robot a la taille d'un cheval et peut transporter 180 kilogrammes, ou quatre sacs à dos entièrement chargés des Marines, jusqu'à 20 miles par jour sur un terrain accidenté.

Comme BigDog, LS3 utilise un instrument de télémétrie laser, ou lidar, et des caméras vidéo stéréo dans sa tête pour identifier les obstacles, cartographier ses environs et suivre un soldat marchant jusqu'à 45 mètres devant, identifié par un patch réfléchissant. L'été dernier, les Marines ont commencé à tester le LS3 dans une base du désert en Californie et dans les bois de Fort Devens dans le Massachusetts. Ces tests ont impliqué des missions de combat simulées avec LS3 comme mule de bât.

Chat sauvage

La DARPA a également financé un robot à quatre pattes plus mobile, agile et plus rapide. La première version, Cheetah, peut courir à 47 kilomètres par heure sur un tapis roulant tout en étant attachée à une barre stabilisatrice. Boston Dynamics a développé une version plus grande et non attachée, appelée WildCat, en 2013. Comme Cheetah, WildCat fléchit son corps pour étendre sa foulée et augmenter sa vitesse. Il peut fonctionner à 26 kilomètres par heure sous contrôle à distance. Boston Dynamics a mis en ligne une vidéo du robot bondissant et galopant autour de son parking.

Partie 3
Apprendre à marcher

En 1989, l'un des étudiants diplômés de Raibert, Rob Playter, qui avait été champion de gymnastique à l'Ohio State, l'a aidé à construire un robot à deux pattes en liberté qui pouvait effectuer des sauts périlleux et d'autres prouesses acrobatiques sur un tapis roulant ou en bondissant autour du laboratoire. Le saut périlleux s'exhibait, admet Raibert. Mais il a démontré un niveau de contrôle qui promettait d'aider les robots à naviguer sur des terrains beaucoup plus difficiles. Il a également fait allusion à la façon dont les machines pourraient un jour se déplacer dans des environnements conçus pour les humains. Les roues sont un bon moyen de se déplacer lorsque le sol devant est plat et dégagé, mais une roue ne peut pas facilement monter les escaliers ou dépasser une chaise renversée. Si les robots doivent un jour être largement utilisés dans nos maisons, il est probable qu'ils devront marcher.

Parce que nous aménageons nos maisons en fonction des êtres humains, il est très important que les robots aient les mêmes compétences de locomotion et de manipulation que les êtres humains, explique Gill Pratt, responsable du programme DARPA en charge du défi robotique. Les jambes peuvent offrir un avantage considérable par rapport aux roues et aux chenilles ; une jambe n'a pas besoin d'un chemin de soutien continu ; une jambe peut enjamber des choses, ce qui est une chose extraordinaire à faire.

L'inspiration spécifique pour le DARPA Robotics Challenge est venue dans des circonstances dramatiques, lorsqu'un tremblement de terre a frappé au large des côtes du Japon en mars 2011. Les tentatives de nettoyage du réacteur nucléaire endommagé de Fukishima ont mis en évidence les limites des meilleurs robots existants et ont montré le besoin de machines. qui peut mieux naviguer dans le monde humain. La DARPA a conçu son défi pour inspirer des robots qui pourraient aider si une telle situation se reproduisait. Les robots doivent être capables non seulement de travailler dans des environnements conçus pour les humains, mais également de naviguer sur ces sites après qu'ils ont été gravement endommagés.

Atlas a bien performé à Miami, mais c'est loin d'être parfait. D'une part, la puissance nécessaire pour entraîner ses systèmes hydrauliques limite son utilité. Les robots déployés dans le concours nécessitaient chacun des générateurs externes pour alimenter leur hydraulique ; les générateurs sont trop gros pour être transportés, relativement inefficaces et bruyants. Même si les futures versions d'Atlas sont censées transporter leur propre source d'alimentation, ce sera toujours une solution rudimentaire jusqu'à ce que les chercheurs puissent comprendre comment rendre les machines beaucoup plus économes en énergie.

La perception est un autre grand défi. Atlas utilise l'équilibre dynamique et peut analyser son environnement à la recherche d'obstacles, mais la façon dont il utilise ces informations pour naviguer est toujours lente et grossière. Si vous regardez quelqu'un danser, grimper ou faire du parkour, nous sommes incroyablement loin d'un robot capable de le faire, dit Pratt.

Au cours du défi DARPA, Atlas a fonctionné en partie de manière autonome, en ce sens que les équipes pouvaient fournir des instructions spécifiques et lui ordonner d'effectuer une tâche, mais une grande partie du comportement du robot, y compris son rééquilibrage en une fraction de seconde, s'est produit automatiquement. La vision de la DARPA est que les robots de sauvetage fonctionnent de cette manière, les humains fournissant des conseils et une assistance, mais les robots fonctionnant de manière autonome en cas de besoin, par exemple en cas de défaillance d'une liaison de communication. Mais si les robots doivent un jour effectuer les types de tâches que certains envisagent, comme aider les personnes âgées à domicile, ils devront avoir la capacité de travailler avec une autonomie encore plus grande.

De retour dans la voie des stands, près d'un garage réquisitionné par une équipe d'assistance de Boston Dynamics, Raibert dit que les humains et les animaux ont une mobilité extraordinaire, plus que n'importe quel véhicule fabriqué par l'homme, il est donc logique de fabriquer des robots avec des jambes. Permettez-moi simplement de dire que je pense que l'avenir de la robotique doit aller là-bas, dit-il, juste avant qu'un de ses robots ne commence à marcher assurément sur un tas de décombres. Vous pouvez faire des choses maintenant sans cela, mais vous finirez par le vouloir vraiment, et c'est ce que nous espérons permettre.

Histoire par
sera chevalier

Développement Front End par
Drew Chandler

Photographie principale par
Adam DeTour

Photographie et vidéo supplémentaires avec l'aimable autorisation de
Dynamique de Boston

Directeur de création
Eric Mongeon

Producteur Web sénior
Kyanna Sutton

Ingénieur logiciel senior
Molly Frey

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