CARL-Bot учится ездить на подводных вихревых кольцах для эффективного движения

Эндрю Корселли

Исследователи научили робота CARL-Bot располагаться так, чтобы он мог кататься по подводным вихревым кольцам, а не бороться с турбулентностью. (Изображение:Гуннарсон/Дабири/Калифорнийский технологический институт)

Ученые Калифорнийского технологического института во главе с Джоном Дабири (доктор философии '05), столетним профессором аэронавтики и машиностроения, воспользовались естественной способностью медуз пересекать и плавать по океану, снабжая их электроникой и протезными «шляпами», с помощью которых существа могут нести небольшие полезные грузы в своих морских путешествиях и сообщать о своих открытиях обратно на поверхность. Этим бионическим медузам приходится бороться с приливами и отливами течений, с которыми они сталкиваются, но безмозглые существа не принимают решения о том, как лучше всего добраться до пункта назначения, и как только они развернутся, ими невозможно будет управлять удаленно.

«Мы знаем, что аугментированные медузы могут быть великими исследователями океана, но у них нет мозга», — говорит Дабири. «Итак, одна из вещей, над которой мы работаем, — это разработка того, как бы выглядел этот мозг, если бы мы наделили эти системы способностью принимать решения под водой».

Теперь Дабири и его бывший аспирант Питер Гуннарсон (доктор философии '24), который сейчас работает в Университете Брауна, нашли способ упростить этот процесс принятия решений и помочь роботу или, возможно, аугментированной медузе, поймать турбулентные вихри, создаваемые океанскими течениями, а не бороться с ними. Исследователи недавно опубликовали свои выводы в журнале PNAS Nexus. .

Для этой работы Гуннарсон обратился к своему старому другу в лаборатории:CARL-Bot (робот Калифорнийского технологического института с автономным обучением с подкреплением). Гуннарсон создал CARL-Bot несколько лет назад в рамках своей работы по внедрению искусственного интеллекта в навигационную технику такого бота. Но недавно Гуннарсон придумал более простой способ, чем ИИ, заставить такую систему принимать решения под водой.

«Мы обсуждали, как подводные аппараты могли бы использовать турбулентные потоки воды для движения, и задавались вопросом, могут ли они быть не проблемой, а преимуществом для этих небольших аппаратов», — сказал Гуннарсон.

Гуннарсон хотел понять, как именно ток толкает робота. Он прикрепил двигатель к стенке танка длиной 16 футов в лаборатории Дабири в Аэронавтической лаборатории Гуггенхайма в кампусе Калифорнийского технологического института, чтобы неоднократно генерировать так называемые вихревые кольца — по сути, подводные эквиваленты дымовых колец. Вихревые кольца — хорошее представление о типах возмущений, с которыми подводный исследователь может столкнуться в хаотическом потоке жидкости океана.

Гуннарсон начал использовать единственный бортовой акселерометр CARL-Bot, чтобы измерить, как он движется и управляется вихревыми кольцами. Он заметил, что время от времени робот попадал в вихревое кольцо и отбрасывался через резервуар. Он и его коллеги начали задаваться вопросом, можно ли добиться такого эффекта намеренно.

Чтобы изучить это, команда разработала простые команды, которые помогут CARL обнаружить относительное местоположение вихревого кольца, а затем расположиться так, чтобы, по словам Гуннарсона, «запрыгнуть и практически бесплатно прокатиться по резервуару». Альтернативно, бот может решить уйти с пути вихревого кольца, которого он не хочет сталкивать.

Вот эксклюзивные Технические обзоры интервью с Гуннарсоном, отредактированное для обеспечения длины и ясности.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при обучении CARL-Bot позиционировать себя?

Гуннарсон :Сложность этой проблемы заключается в том, что она включает в себя как восприятие, так и принятие решений. Итак, чтобы этот робот мог воспользоваться токами, которые мы производим в резервуаре, он должен не только знать, что токи существуют, но и затем решить, что делать, когда он сможет их почувствовать. Итак, я думаю, самая сложная часть заключалась в том, чтобы выяснить, какие сигналы может воспринимать робот, а затем что он может делать в ответ на эти конкретные сигналы. Мне повезло, что я понял, что можно плыть в определенном направлении, если почувствуешь определенный сигнал, и это позволяет роботу использовать течения вокруг него для движения.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как он обнаруживает вихревые кольца, а также как он решает, держаться или нет?

Гуннарсон :Прежде всего, я скажу, что вихревое кольцо — это экспериментальный аналог турбулентности, которую можно обнаружить в океане и атмосфере. Это очень повторяемая версия, которую мы можем использовать в лаборатории. По сути, это похоже на дымовое кольцо; что он делает, так это использует акселерометр на борту робота, чтобы робот мог чувствовать, что эта приближающаяся вертикальная структура толкает его почти по небольшому кругу. Итак, если вы представите, что мимо проходит торнадо, вы увидите, как он подхватывает и вращает предметы. Это похожая идея. Итак, как только он осознает, что его вращает или толкает это вихревое кольцо, это дает достаточно информации, чтобы понять, что вихревое кольцо находится в этом направлении.

Таким образом, если робот хочет поймать попутку, потому что он движется в правильном направлении, он может решить:«Давайте плыть к этому торнадо из жидкости». Но в равной степени, если эта структура движется в неправильном направлении, робот может решить:«О, я хочу плыть в противоположном направлении, чтобы не попасться в нее». Именно такого рода принятие решений вы бы вложили в будущее транспортное средство, которое, как мы надеемся, решит плыть по течениям или избегать их, в зависимости от того, куда вы хотите, чтобы оно двигалось.

Технические обзоры :Есть ли что-нибудь еще, чего бы вы хотели добавить, чего я не коснулся?

Гуннарсон :Это захватывающая область исследований, потому что инженеры обычно смотрят на традиционные транспортные средства, такие как авиалайнеры, и с нетерпением ждут повышения их эффективности примерно на 1 процент. Но когда мы говорим об этих небольших автономных транспортных средствах, потенциальная выгода, которую вы можете получить, более разумно взаимодействуя с течениями и порывами ветра, может быть огромной. Итак, я думаю, что это новая область исследований, стимулированная этими небольшими автономными системами, которая, я думаю, принесет действительно большие успехи в будущем.

Расшифровка

Стенограмма этого видео недоступна.