Dennis Hong: mijn zeven robotsoorten

Bij TEDxNASA introduceert Dennis Hong 7 prijswinnende alle terreinrobots -- zoals de humanoïde voetballende DARwIn en de rotsbeklimmende CLIMBeR -- alle gebouwd door zijn team van RoMeLa van Virginia Tech. Bekijk de video helemaal om de 5 creatieve geheimen achter de ongelofelijke technische successen van zijn lab te horen.

De eerste robot waarover we het gaan hebben heet STriDER.

Dat staat voor Self-exited

Tripedal Dynamic Experimental Robot.

Het is een robot met 3 poten,

geïnspireerd op de natuur.

Maar heb je ooit in de natuur

een dier gezien dat drie poten heeft?

Waarschijnlijk niet. Waarom noem ik dit

een biologisch geïnspireerde robot? Hoe zou dat werken?

Maar laten we eerst eens naar de popcultuur kijken.

Jullie kennen vast H.G. Wells' boek 'War of the Worlds' en de daarop gebaseerde film.

Wat je hier ziet, is een erg populair

videospel.

Hier worden die buitenaardse wezens beschreven

als robots met drie poten die de aarde terroriseren.

Maar mijn robot, STriDER, beweegt niet zo.

Dit is een actuele dynamische simulatie-animatie.

Ik zal laten zien hoe de robot werkt.

Hij zwiert zijn lijf 180 graden om en zwaait

een poot tussen de twee andere poten door om zijn val te breken.

Zo loopt hij. Maar als je naar ons

menselijk tweebenig lopen kijkt,

zie je dat je geen spieren gebruikt

om je been op te tillen en als een robot te lopen.

Wat je doet is je been uitzwaaien om niet te vallen,

overeind komen en weer je been uitzwaaien om niet te vallen.

Je gebruikt je ingebouwde dynamiek, de fysica van je lichaam,

net als een slinger.

We noemen dat het concept van passief-dynamische voortbeweging.

Bij elke uitzwaai van je been wordt

potentiële energie omgezet naar kinetische energie,

potentiële energie naar kinetische energie.

Het is een continu valproces.

Zelfs zonder voorbeeld uit de natuur dat er zo uitziet,

waren we geinspireerd door de biologie

en hebben we de principes van het lopen toegepast

op deze robot, daarom is het een biologisch geïnspireerde robot.

Wat je hier ziet, is wat we hierna willen gaan doen.

We willen de poten opvouwen en hem de lucht inschieten voor grotere afstanden.

Hij vouwt zijn poten uit, je zou zeggen Star Wars.

Als hij landt, absorbeert hij de schok en begint te lopen.

Dit gele ding hier is geen dodelijke straal.

Dit laat zien dat dat hij met camera's

of verschillende soorten sensors

door zijn grootte van 1,8 meter

over obstakels zoals struiken en dergelijke heen kan kijken.

We hebben dus twee prototypes.

De eerste versie, achterin, dat is STriDER I.

De kleinere op de voorgrond is STriDER II.

Het probleem met STriDER I was

dat het lijf te zwaar was. We hadden teveel motoren

om de gewrichten uit te lijnen en dergelijke.

We besloten een mechanisme te maken

zodat alle motoren konden worden vervangen door een enkele motor

om alle bewegingen te coördineren.

Het is een mechanische oplossing voor een probleem in plaats van door mechatronica.

Hierdoor werd het lijf licht genoeg. Hier zie je hem in het lab rondlopen.

Dit was de allereerste succesvolle stap.

Het is nog niet perfect. Hij morst de koffie,

het werk is nog niet af.

De tweede robot waar ik over wil praten heet IMPASS.

Dat staat voor Intelligent Mobility Platform met Actuated Spoke System.

Het is dus een wiel-poot-hybride robot.

Denk aan een wiel zonder velg

of een spaakwiel.

Maar de spaken bewegen individueel in en uit de as.

Daarom is het een wiel-poot-hybride.

We vinden hier letterlijk opnieuw het wiel uit.

Laat me demonstreren hoe het werkt.

In deze video gebruiken we een benadering

die de reactieve benadering heet.

Door tactiele sensoren op de poten te gebruiken

probeert hij over een veranderend terrein te lopen,

een zacht terrein waarop hij druk uitoefent en zich aanpast.

Enkel door de tactiele informatie

beweegt hij met succes over deze soorten terrein.

Maar als hij een erg extreem soort terrein tegenkomt,

in dit geval is het obstakel meer dan drie keer

de hoogte van de robot,

dan schakelt hij naar een doelbewuste stand

waarbij hij een laser-afstandsmeter en

camerasystemen gebruikt om het obstakel en de grootte ervan

vast te stellen, hij plant behoedzaam de beweging van de spaken

en coördineert ze, zodat hij

deze zeer indrukwekkende mobiliteit kan laten zien.

Waarschijnlijk heb je nog nergens iets dergelijks gezien.

Dit is een zeer mobiele robot die

we hebben ontwikkeld, IMPASS genaamd.

Is hij niet cool?

Als je autorijdt, je auto bestuurt,

gebruik je een methode die

Ackermann-sturing heet.

De voorwielen draaien zo.

Voor de meeste kleine robots met wielen

wordt differentieelbesturing gebruikt

waarbij het linkerwiel tegengesteld draait aan het rechterwiel.

Voor IMPASS kunnen we veel verschillende types beweging toepassen.

Bijvoorbeeld hier, zelfs als het linkerwiel en het rechterwiel door een enkele as

met dezelfde hoeksnelheid zijn verbonden.

We veranderen simpelweg de lengte van de spaken.

Dat verandert de diameter en zo draait hij naar links of rechts.

Dit zijn enkele voorbeelden van de mooie dingen

die we met IMPASS kunnen doen.

Deze robot heet CLIMBeR,

Cable-suspended Limbed Intelligent Matching Behavior Robot.

Ik heb veel NASA JPL-wetenschappers gesproken,

bij JPL zijn ze bekend om hun Mars-rovers.

De wetenschappers en geologen vertellen me altijd

dat de interessantste plekken voor de wetenschap

altijd bij de kliffen liggen.

Maar de huidige rovers kunnen daar niet komen.

Daardoor geïnspireerd wilden we een robot maken

die een klif met allerlei structuren kan beklimmen.

Dit is CLIMBeR.

Hij heeft drie poten. Misschien moeilijk te zien,

maar bovenin zit een lier en een kabel.

Hij bekijkt wat de beste plek is om zijn poten neer te zetten.

Als hij dat heeft uitgevist,

berekent hij in realtime de krachtverdeling

en hoeveel kracht hij op het oppervlak moet uitoefenen

om niet om te vallen of uit te glijden.

Zodra hij stabiel is, tilt hij een poot op

en dan kan hij met de lier naar boven klimmen.

Ook geschikt voor reddingsoperaties.

Vijf jaar geleden werkte ik gedurende de zomer

bij NASA JPL als faculteitscollega.

Ze hadden al een robot met zes poten, LEMUR.

Deze robot is daarop gebaseerd en heet MARS,

Multi-Appendage Robotic System. Het is een zespotige robot.

We ontwikkelden onze adaptieve-loop-planner.

Daar zit zelfs een interessant vrachtje op.

De studenten houden van een geintje. Hier kun je zien dat

hij over ongestructureerd terrein loopt.

Hij probeert op het ruwe terrein

in het zanderige gebied te lopen.

Afhankelijk van het vochtgehalte of de zandkorrelgrootte

verandert de manier waarop de poot in de grond zakt.

Hij probeert zijn gang aan te passen om er goed overheen te komen.

Hij kan ook wat leuke dingen doen zoals je je kunt voorstellen.

We krijgen zoveel bezoekers in ons laboratorium.

MARS gaat dan naar de computer en

typt "Hallo, mijn naam is MARS.

Welkom bij RoMeLa,

het Robotics Mechanisms Laboratory van Virginia Tech."

Deze robot is een amoebe-robot.

We hebben niet genoeg tijd voor de technische details,

maar ik zal je wat experimenten laten zien.

Dit is een van de vroege onderzoeken over wat hij kan.

Potentiële energie wordt opgeslagen in de elastische huid om hem te laten bewegen.

Ofwel gebruikt hij actieve spanningssnoeren om vooruit

en achteruit te bewegen. Het ding heet ChIMERA.

Ook hebben we met een aantal wetenschappers

en ingenieurs van de universiteit van Pennsylvania

samengewerkt om een chemisch aangedreven versie

van deze amoebe-robot te ontwikkelen.

We doen ergens iets aan

en hij beweegt als bij toverslag. De blob.

Deze robot is een heel recent project, RAPHaEL.

Robotic Air Powered Hand with Elastic Ligaments.

Er zijn veel echt mooie en erg goede robothanden op de markt.

Het probleem is dat ze veel te duur zijn, tienduizenden dollars.

Waarschijnlijk niet geschikt voor prothese-toepassingen

wegens te duur.

We wilden dit probleem heel anders aanpakken.

In plaats van elektrische motoren en elektromechanische actuatoren,

gebruiken we perslucht.

We ontwikkelden deze nieuwe actuatoren voor gewrichten.

Ze passen zich aan. Je verandert de kracht

simpelweg door middel van de luchtdruk.

Hij kan zelfs een leeg blikje frisdrank samenpletten.

Maar hij kan ook zeer delicate objecten zoals een rauw ei oppakken

of, in dit geval, een gloeilamp.

Maar het kostte slechts 200 dollar om het eerste prototype te maken.

Deze robot behoort eigenlijk tot een familie van slangrobots

die wij HyDRAS noemen,

Hyper Degrees-of-freedom Robotic Articulated Serpentine.

Hij kan allerlei structuren beklimmen.

Dit is de arm van een HyDRAS.

Het is een robotarm met 12 graden van vrijheid.

Maar het coole deel is de gebruikersinterface.

Die kabel daar is een optische vezel.

Deze studente, die hem waarschijnlijk voor de eerste keer gebruikt,

kan hem op veel verschillende manieren laten draaien.

In Irak, in het oorlogsgebied

zijn er bermbommen. Nu stuurt men deze gewapende,

op afstand bediende voertuigen er op af.

Het kost heel veel tijd en het is duur

om de operator deze complexe arm te leren bedienen.

In dit geval is het zeer intuïtief.

Deze student doet er erg complexe manipulaties mee, al is het waarschijnlijk de eerste keer dat hij hem gebruikt.

Het oppakken en manipuleren van objecten

verloopt zeer vlot. Zeer intuïtief.

Deze robot is onze sterrobot.

Deze DARwIn, Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence,

heeft zijn eigen fanclub.

Wij zijn zeer geïnteresseerd in humanoïde robots,

die kunnen lopen als een mens.

We besloten om een kleine humanoïde robot te bouwen.

Dat was in 2004.

Toen nog iets heel revolutionairs.

Het was meer een haalbaarheidsstudie:

wat voor soort motoren moeten we gebruiken?

Is het zelfs mogelijk? Welke controles moeten we doen?

Deze heeft zelfs geen sensoren.

Het is een open-luscontrole.

Zonder sensors

en met wat hindernissen, kan je dit verwachten.

(Gelach)

Na dit succes kwamen we het volgende jaar

met een goed mechanisch ontwerp

op basis van kinematica.

DARwIn I kwam in 2005 ter wereld.

Hij staat recht, hij loopt - zeer indrukwekkend.

Maar zoals jullie kunnen zien,

heeft hij nog een soort navelstreng. We zijn nog altijd aangewezen op een externe energiebron

en externe berekening.

In 2006 begon het echt leuk te worden.

Hij werd intelligent. We geven hem alle rekenkracht die hij nodig had:

een 1,5 gigahertz Pentium M-chip,

twee FireWire-camera's, snelheidsgyro's, accelerometers,

vier krachtsensoren in de voet, lithium-polymeerbatterijen.

Nu is DARwIn II volledig autonoom.

Geen afstandsbediening meer.

Geen draden. Hij kijkt rond, zoekt de bal,

kijkt om zich heen, zoekt de bal en hij probeert een potje voetbal te spelen.

Autonoom: kunstmatige intelligentie.

Laten we eens kijken hoe het eraan toe gaat. Dit was onze allereerste proef

en ... Toeschouwers (Video): Goal!

Dennis Hong: Er bestaat een wedstrijd RoboCup genaamd.

Ik weet niet hoeveel van jullie al over RoboCup hebben gehoord.

Het is een internationale voetbalcompetitie voor autonome robots.

Het eigenlijke doel van RoboCup is

om in het jaar 2050

autonome humanoïde robots van normale grootte

te laten voetballen tegen de menselijke wereldbekerkampioenen.

En te winnen!

Het is een echt doel. En wel een zeer ambitieus doel,

maar wij geloven dat we het kunnen.

Dit was vorig jaar in China.

Wij waren het eerste team in de Verenigde Staten dat zich plaatste

voor de humanoïde RoboCupcompetitie.

Dit is dit jaar in Oostenrijk.

Je gaat de actie kunnen zien, drie tegen drie,

volledig autonoom.

Daar ga je. Ja!

De robots volgen en ze

doen aan spelverdeling.

Erg indrukwekkend. Het is echt een onderzoeksgebeuren

onder de vorm van een spannende wedstrijd.

Hier zie je de prachtige

Louis Vuitton Cup trofee.

Dit is voor de beste humanoïde.

We zouden hem graag volgend jaar voor de eerste keer naar de Verenigde Staten

willen halen. Wens ons maar succes.

(Applaus)

Dank je.

DARwIn heeft ook veel andere talenten.

Vorig jaar dirigeerde hij het vakantieconcert

van het Roanoke Symphony Orchestra.

Dit is de robot van de volgende generatie, DARwIn IV,

maar slimmer, sneller, sterker.

Hij pronkt met zijn kunnen:

"Ik ben macho, ik ben sterk.

Ik kan ook wat Jackie Chan-bewegingen doen,

krijgskunstbewegingen."

(Gelach)

Daar gaat ie. Dat was DARwIn IV.

Jullie kunnen hem bekijken in de lobby.

We geloven echt dat dit de eerste lopende

humanoïde robot gaat zijn in de Verenigde Staten. Blijf het volgen.

Ik toonde jullie enkele van onze fantastische robots aan het werk.

Wat is het geheim van ons succes?

Waar vinden we deze ideeën?

Hoe ontwikkelen we dit soort ideeën?

We hebben een volledig autonoom voertuig

dat kan rijden in stedelijke omgevingen. We wonnen een half miljoen dollar

in de DARPA Urban Challenge.

We hebben ook 's werelds eerste

voertuig dat kan worden bestuurd door een blinde.

We noemen het de Blind Driver Challenge, heel spannend.

En vele, vele andere roboticaprojecten waarover ik wil praten.

Dit zijn de prijzen die we wonnen in de herfst van 2007

bij roboticawedstrijden en dat soort dingen.

We hebben vijf geheimen.

Het eerste is: waar halen we inspiratie vandaan?

Vanwaar deze vonk van verbeelding?

Dit is een waar verhaal, mijn persoonlijke verhaal.

Als ik om 3 à 4 uur in de ochtend ga slapen,

sluit ik mijn ogen en zie ik lijnen, cirkels

en verschillende vormen rondzweven.

Ze komen samen en vormen dit soort mechanismen.

Dan denk ik: "Ach, dat is cool."

Naast mijn bed ligt een aantekenboekje,

met een speciale pen met LED verlichting,

zo maak ik mijn vrouw niet wakker door het licht aan te doen.

Ik teken alles op wat ik zie

en ga weer slapen.

En 's morgens,

het eerste wat ik doe vóór mijn eerste kop koffie,

voordat ik mijn tanden poets, is in mijn aantekenboekje kijken.

Meestal is het leeg,

soms staat er iets - soms staat er wat onzin -

maar meestal kan ik niet eens lezen wat ik opschreef.

Wat verwacht je om 4 uur in de ochtend, toch?

Ik moet ontcijferen wat ik schreef.

Maar soms staat er een ingenieus idee in

en heb ik een eureka-belevenis.

Ik loop naar mijn bureau, ga voor mijn computer zitten,

typ de ideeën uit, maak tekeningen

en houd alles bij in een ideeëndatabase.

Als we vragen voor toepassingen krijgen,

probeer ik overeenkomsten te vinden

tussen potentiële ideeën en het probleem.

Vind ik een overeenkomst, dan schrijven we een onderzoeksvoorstel uit

voor de financiering ervan. Zo beginnen we onze onderzoeksprogramma's.

Maar alleen maar een vonk van de verbeelding is niet genoeg.

Hoe ontwikkelen we dit soort ideeën?

Bij ons lab RoMeLa, het Robotica en Mechanismen Laboratorium,

hebben we deze fantastische brainstormsessies.

We komen bij elkaar, bespreken de problemen,

ook de sociale problemen.

Maar voordat we beginnen,

leggen we een gouden regel vast:

'Bekritiseer niemands ideeën.

Bekritiseer geen enkel uitgebracht advies.'

Dat is belangrijk, omdat studenten vaak vrezen

of zich ongemakkelijk voelen over wat anderen zouden kunnen denken

over hun meningen en gedachten.

Zodra je dit doet, is het verbazingwekkend

hoe de leerlingen ontdooien.

Ze hebben de meest gekke, leuke, dolle, briljante ideeën en

de hele kamer is als geëlektrificeerd met creatieve energie.

Zo ontwikkelen we onze ideeën.

Mijn tijd raakt op. Nog een ding waarover ik wil praten,

is dat alleen maar een idee niet goed genoeg is.

Er was ooit een groot TED-moment

met Sir Ken Robinson, dacht ik.

Hij gaf een lezing over hoe het onderwijs

en de school de creativiteit doden.

Er zijn eigenlijk twee kanten aan dat verhaal.

Met alleen maar ingenieuze ideeën,

creativiteit en een goede technische intuïtie

geraak je er niet.

Als je verder wil gaan dan wat knutselen,

als je verder wil gaan dan een roboticahobby

en echt de grote uitdagingen van de robotica aanpakken

door middel van grondig onderzoek,

heb je meer nodig dan dat. Daar is scholing voor nodig.

Batman heeft in zijn strijd tegen de slechteriken

zijn gordel met accessoires, zijn enterhaak,

allerlei soorten gadgets.

Voor ons robotici, ingenieurs en wetenschappers

zijn dat de cursussen en lessen die je op school krijgt.

Wiskunde, differentiaalvergelijkingen.

Ook lineaire algebra, fysica,

vandaag zelfs scheikunde en biologie, zoals je hebt gezien.

Dit zijn de gereedschappen die we nodig hebben.

Hoe meer gereedschap Batman heeft,

des te effectiever hij de slechteriken kan bestrijden.

Voor ons zijn dat de gereedschappen om dit soort grote problemen te lijf te gaan.

Ja, onderwijs is erg belangrijk.

Maar daar gaat het niet over,

tenminste niet alleen daarover. Je moet ook echt, echt hard werken.

Dus zeg ik altijd tegen mijn studenten:

"Werk met verstand voordat je hard gaat werken."

Deze foto werd om 3 uur in de ochtend genomen.

Ik garandeer je dat als je om 3 à 4 uur 's nachts naar het lab komt,

er studenten aan het werk zijn.

Niet omdat ik ze verplicht, maar omdat we er veel plezier aan beleven.

Dat brengt me bij het laatste onderwerp:

"Vergeet niet om plezier te hebben."

Dat is echt het geheim van ons succes: we hebben veel plezier.

Ik geloof echt dat de hoogste productiviteit komt wanneer je er plezier aan hebt.

Zo doen we dat.

Zo gaat dat. Dank je wel.

(Applaus)