Ujævnt terræn? Intet problem for bæver-inspireret autonom robot

Autonome robotter udmærker sig i fabrikker og andre menneskeskabte rum, men de kæmper med naturens tilfældigheder.

For at hjælpe disse maskiner med at overvinde ujævnt terræn og andre forhindringer, University at Buffalo forskere har vendt sig til bævere, termitter og andre dyr, der bygger strukturer som reaktion på simple miljømæssige signaler, i modsætning til at følge forudbestemte planer.

"Når en bæver bygger en dæmning, det følger ikke en plan. I stedet, det reagerer på vand i bevægelse. Det forsøger at stoppe vandet i at flyde, siger Nils Napp, Ph.D., adjunkt i datalogi og teknik på UB's Ingeniørhøjskole. "Vi er ved at udvikle et system til, at autonome robotter opfører sig på samme måde. Robotten overvåger og ændrer løbende sit terræn for at gøre det mere mobilt."

Arbejdet er beskrevet i en undersøgelse, der i denne uge præsenteres på Robots:Science and Systems-konferencen. Arbejdet kan få konsekvenser for eftersøgnings- og redningsoperationer, planetarisk udforskning efter Mars rover-stil køretøjer og andre områder.

Det handler om matematik

Mens projektet involverer dyr og robotter, dens hovedfokus er matematik:specifikt, udvikling af nye algoritmer – de sæt regler, som selvstyrende maskiner har brug for for at give mening i deres miljø og løse problemer.

Oprettelse af algoritmer til en autonom robot i et kontrolleret miljø, såsom en bilfabrik, er forholdsvis ligetil. Men det er meget sværere at opnå i naturen, hvor rum er uforudsigelige og har mere komplekse mønstre, siger Napp.

For at løse problemet, han studerer stigmergi, et biologisk fænomen, der er blevet brugt til at forklare alt fra termitters og bæveres adfærd til Wikipedias popularitet.

Ifølge stigmergi, de komplekse reder, som termitter bygger, er ikke resultatet af veldefinerede planer eller dyb kommunikation. I stedet, det er en form for indirekte koordination. I første omgang, en termit vil afsætte en feromon-snøret kugle af mudder på et tilfældigt sted. Andre termitter, tiltrukket af feromonerne, er mere tilbøjelige til at tabe deres mudderkugler på samme sted. Adfærden fører i sidste ende til store termitreder.

Forskere har sammenlignet denne adfærd med Wikipedia og andre online kollektive projekter. For eksempel, en bruger opretter en side i online-leksikonet. En anden bruger vil ændre den med yderligere oplysninger. Processen fortsætter i det uendelige, med brugere, der bygger mere komplekse sider.

Test af den autonome rover

Brug af hyldekomponenter, Napp og hans elever udstyrede et mini-rover-køretøj med et kamera, tilpasset software og en robotarm til at løfte og deponere genstande.

De skabte derefter ujævnt terræn - tilfældigt placerede sten, mursten og brækkede betonstykker - for at simulere et miljø efter en katastrofe som en tornado eller jordskælv. Holdet placerer også håndstore sækkestole i forskellige størrelser rundt i det simulerede katastrofeområde.

Forskere aktiverer derefter robotten, som bruger de algoritmer Napp udviklede til løbende at overvåge og scanne sit miljø. Den opsamler sækkestole og anbringer dem i huller og mellemrum mellem klippen, mursten og beton. Til sidst danner poserne en rampe, som giver robotten mulighed for at overvinde forhindringerne og nå sit mål, en flad platform.

"I dette tilfælde, det er som en bæver, der bruger nærliggende materialer til at bygge med. Robotten tager sine spor fra sine omgivelser, og det vil blive ved med at ændre sit miljø, indtil det har skabt en rampe, " siger Napp. "Det betyder, at den kan rette fejl og reagere på forstyrrelser; for eksempel irriterende forskere, der roder med halvbyggede ramper, ligesom bævere, der ordner lækager i deres dæmninger."

I 10 tests, robotten flyttede fra 33 til 170 poser, hver gang at skabe en rampe, som gjorde det muligt for den at nå sit målplacering.

"Ligesom et dyr, robotten kan fungere helt af sig selv, og reagere på og ændre sine omgivelser, så de passer til dens behov, " sagde Napp.