Minhas sete espécies de robô - e como os criamos

No TEDxNASA, Dennis Hong apresenta sete robôs todo-terreno e vencedores de prêmios -- como o humanóide, jogador de futebol DARwin e o alpinista CLIMBeR -- todos construídos por seu time no RoMeLa, Virginia Tech. Assista até o final para ouvir os cinco segredos criativos para o incrível sucesso técnico de seu laboratório.

Pois bem, o primeiro robô de que vou falar é o chamado STriDER

Que significa Robô Auto-excitado

Tripé Dinâmico Experimental

É um robô que tem três pernas,

e que é inspirado pela natureza.

Mas vocês já viram alguma vez na natureza

um animal que tenha três pernas?

Provavelmente não. Então, porque eu o chamo de

um robô inspirado na biologia? Como ele poderia funcionar?

Mas antes disso, vamos olhar a cultura pop.

Vocês conhecem o livro e o filme Guerra dos Mundos de H.G. Wells.

E o que vocês vêem aqui é um video game

muito popular.

Na ficção eles descrevem essas criaturas alienígenas

como robôs de têm três pernas que aterrorizam a Terra.

Mas meu robot, STriDER, não se move assim.

Esta é animação da simulação dinâmica real.

Eu vou mostrar a vocês como o robô funciona.

Ele gira seu corpo 180 graus.

Ele balança sua perna entre suas duas pernas para segurar a queda.

Então, é assim que ele anda. Mas quando você olha para nós

seres humanos, andando com dois pés,

o que você está fazendo, você não está realmente usando um músculo

para levantar sua perna e andar como um robô. Certo?

O que você faz é, você realmente balança sua perna e segura a queda,

levanta-se de novo, balança a perna e segura a queda.

Usando sua dinâmica interna, a física de seu corpo,

exatamente como um pêndulo.

Nós chamamos esse conceito de movimentação dinâmica passiva.

O que você faz, quando você se levanta, é transformar

energia potencial em energia cinética,

energia potencial em energia cinética.

É um processo de queda constante.

Então, apesar de não existir nada igual na natureza,

nós realmente fomos inspirados pela biologia

e aplicando os príncipios de caminhada

a esse robô, assim esse é um robô inspirado pela biologia.

O que você vê aqui, isto é o que queremos fazer em seguida.

Nós queremos dobrar as pernas e lança-la para cima para um movimento de longo alcance.

E ele solta as pernas, parece quase como Guerra nas Estrelas.

Quando ele aterrisa, ele absorve o choque e começa a andar.

O que você vê aqui, essa coisa amarela, isto não é um raio mortal.

É apenas para mostrar que se você tiver câmeras

ou diferentes tipos de sensores

porque ele é alto, tem 1.8 metros de altura,

você pode ver por cima dos obstáculos tais como arbustos e outras coisas.

Então nós temos dois protótipos.

A primeira versão, atrás, é o STriDER I.

E o que está na frente, menor, é o STriDER II.

O problema que tivemos com o STriDER I é

que ele tinha muito peso no corpo. Nós tínhamos tantos motores,

sabe, alinhando juntas, e esses tipos de coisas.

Então, decidimos sintetizar um mecanismo mecânico

e pudemos nos livrar de todos motores, e com apenas um motor

nós coordenamos todos os movimentos.

É uma solução mecânica para o problema, ao invés de usar mecatrônica.

Aí, assim, a parte de cima do corpo é leve o suficiente para andar no laboratório.

Este foi o primeiro passo com sucesso.

Ele ainda não está perfeito. Seu café cai,

por isso temos muito trabalho a fazer ainda.

O segundo robô sobre o qual eu queria falar é o chamado IMPASS.

Que significa Plataforma Móvel Inteligente com Sistema Atuador de Raios.

É um robô híbrido de roda e perna.

Imagine uma roda sem aro,

ou uma roda de raios.

Mas os raios movem-se individualmente para dentro e fora do cubo.

É um híbrido de roda e perna.

Nós estamos literalmente re-inventando a roda aqui.

Deixe-me demonstrar como ele funciona.

Nesse vídeo nós estamos usando uma abordagem

chamada abordagem reativa.

Usando simplesmente os sensores táteis nos pés,

ele está tentando andar sobre um terreno que muda,

um terreno macio que onde ele aperta, se modifica.

E apenas pela informação tátil

ele cruza com sucesso por sobre esses tipos de terreno.

Mas, quando ele encontra um terreno muito extremo,

nesse caso, esse obstáculo é mais de três vezes

a altura do robô,

Então ele muda para um modo deliberado,

onde ele usa uma mira laser,

e sistemas de câmera, para identificar o obstáculo e o tamanho,

e ele planeja, planeja cuidadosamente o movimento dos raios,

e o coordena de maneira que ele pode mostrar esse

tipo de mobilidade muito muito impressionante.

Vocês provavelmente não viram nada igual lá fora.

Este é um robô de alta mobilidade

que nós desenvolvemos, chamado IMPASS.

Ah! Isso não é legal?

Quando você dirige seu carro,

quando você vira a direção, você usa um método

chamado direção Ackermann.

As rodas frontais giram assim.

Para a maioria dos robôs com rodas pequenas

eles usam um método chamado direção diferencial

onde a roda esquerda e direita giram em direções opostas.

Para o IMPASS, nós podemos fazer muitos muitos tipos diferentes de movimento.

Por exemplo, neste caso, apesar das rodas esquerda e direita estarem conectadas

com um eixo simples, rodando no mesmo ângulo de velocidade,

Nós simplesmente mudamos o comprimento do raio.

Isto afeta o diâmetro, e então ele vira para a esquerda, vira para a direita.

Então, esses são apenas alguns exemplos das coisas habilidosas

que podemos fazer com o IMPASS.

Este robô é chamado CLIMBeR,

Robô Imitador Inteligente de Comportamento com Membros Suspenso por Cabo.

Eu conversei com vários cientistas do JPL na NASA,

no JPL eles são famosos pelas sondas de Marte.

E os cientistas, geologistas sempre me dizem

que a ciência realmente interessante,

os locais ricos para a ciência, estão sempre nas encostas.

Mas os robôs atuais não conseguem chegar até lá.

Então, inspirado por isso nós querermos construir um robô

que possa escalar um ambiente de encosta estruturado.

Portanto, este é o CLIMBeR.

O que ele faz, ele tem três pernas. É provavelmente difícil de ver,

mas ele tem um guincho e um cabo no topo.

E ele tenta descobrir o melhor lugar para colocar seu pé.

E então quando ele descobre

ele calcula em tempo real a distribuição de força.

Quanta força ele precisa exercer sobre a superfície

para que ele não tropece e não escorregue.

Quando ele estabiliza ele levanta um pé,

e então com o guincho, ele pode escalar esse tipo de coisa.

Para aplicações de busca e salvamento também.

Há cinco anos atrás eu trabalhei no JPL da NASA

durante o verão como um especialista.

E eles já tinham um robô de seis patas chamado LEMUR.

Este é realmente baseado naquele. Este robô é chamado MARS,

Sistema Robôtico com Múltiplos-Apêndices. É um robô hexapode.

Nós desenvolvemos nosso planejador de passo adaptativo.

Nós temos na verdade uma carga muito interessante ali.

Os estudantes gostam de se divertir. E aqui vocês podem ver que ele está

andando sobre um terreno não estruturado.

Ele está tentando andar no terreno irregular,

área arenosa,

mas dependendo da umidade ou do tamanho dos grãos de areia

o modelo de afundamento do pé no solo se altera.

Então, ele tenta adaptar seu passo para cruzar com sucesso esse tipo de coisas.

E também, ele faz algumas coisas divertidas, como vocês podem imaginar.

Nós recebemos tantos visitantes em nosso laboratório.

Quando os visitantes chegam, o MARS anda até o computador,

e começa a digitar "Olá, meu nome é MARS."

Benvindo ao RoMeLa,

o Laboratório de Mecanismos Robóticos da Virginia Tech.

Este robô é um robô ameba.

Nós não temos tempo para entrar nos detalhes técnicos,

Eu vou apens mostrar a vocês algumas das experiências.

Este é um dos primeiros testes de viabilidade.

Nós armazenamos energia potencial na pele elástica para fazê-lo se mover.

Ou usamos cordas de tensão ativa para fazê-lo se mover

para frente e para trás. Ele é chamado de ChIMERA.

Nós também trabalhamos com alguns cientistas

e engenheiro da UPenn

para inventarem uma versão acionada quimicamente

deste robô ameba.

Nós fazemos algo com alguma coisa

e, como mágica, ele se move. A ameba.

Este robô é um projeto bem recente. É chamado RAPHaEL.

Mão Robôtica Movida a Ar com Ligamentos de Elástico.

Há várias mão robóticas muito legais por aí no mercado.

O problema é que elas são muito caras, dezenas de milhares de dólares.

Então, para aplicações protéticas elas provavelmente não são muito práticas,

pois não são acessíveis.

Nós queríamos atacar esse problema de uma direção diferente.

Ao invés de usar motores elétricos, atuadores eletromecânicos,

nós usamos ar comprimido.

Nós desenvolvemos esses novos atuadores para juntas.

Ele é compatível. Você pode realmente mudar a força,

simplesmente mudando a pressão do ar.

E ele pode de fato amassar uma lata vazia de refrigerante.

Ele pode pegar objetos muito delicados, como um ovo cru,

ou, neste caso, uma lâmpada.

A melhor parte, custou apenas $200 dólares para fazer o primeiro protótipo.

Este robô é na verdade uma família de robôs cobra

que nós chamamos de HyDRAS,

Serpentina Articulada Robótica com Hiper Graus de Liberdade.

Este é um robô que pode subir estruturas.

Este é um braço da HyDRAS.

É um braço robótico com 12 graus de liberdade.

Mas a parte mais legal é a interface com o usuário.

Aquele cabo ali, é uma fibra ótica.

E essa aluna, provavelmente está usando pela primeira vez,

mas ela pode articulá-lo de várias maneiras diferentes.

Assim, por exemplo no Iraque, sabe, na zona de guerra,

existem bombas ao largo das estradas. Hoje você envia esses

veículos controlados remotamente que são armados.

Isto toma muito tempo e é caro

treinar o operador para usar esse braço complexo.

Neste caso, é muito intuitivo.

A aluna, provavelmente está usando pela primeira vez, e executando uma tarefa muito complexa de manipulação,

pegando objetos e manipulando,

desse jeito, muito intuitivo.

Agora, este robó é atualmente a nossa estrela.

Nós temos um fã clube para o robot DARwin,

Robô Antropomórfico Dinâmico Com Inteligência.

Como vocês sabem, nós estamos muito interessados em

robôs humanóides, capazes de andar como humanos,

por isso decidimos construir um pequeno robô humanóide.

Isto foi em 2004, naquela época

isto era algo realmente revolucionário.

Isto foi tipo um estudo de viabilidade,

que tipo de motores nós deveríamos usar?

Isso é possível? Que tipo de controles deveríamos ter?

Então, este não possui nenhum sensor.

É um controle de circuito aberto.

Para vocês que provavelmente já sabem, se você não tem nenhum sensor

e existe algum distúrbio, vocês sabem o que acontece.

(Risos)

Baseado nesse sucesso, no ano seguinte

nós fizemos o projeto mecânico adequado

começando com a cinemática.

E assim, DARwin I nasceu em 2005.

Ele fica em pé. Ele anda, muito impressionante.

Entretanto, ainda, como vocês podem ver,

ele tem um cordão umbilical. Nós ainda estamos usando uma fonte de energia,

e computação externa.

Então, em 2006, agora é hora de se divertir de verdade.

Vamos dar-lhe inteligência. Damos todo poder computacional de que precisa,

um processador Pentium M de 1.5 gigahertz,

duas cameras Firewire, oito giroscópios, acelerômetros,

quatro sensores de torque no pé, baterias de lítio,

E agora DARwin II é completamente autônomo.

Ele não é controlado remotamente.

Não há amarrações. Ele olha ao redor, procura pela bola,

olha em volta, procura pela bola, e ele tenta jogar uma partida de futebol,

autonomamente, inteligência artificial.

Vamos ver como ele faz. Esta foi nossa primeira tentativa,

and... Video: Gol!

Existe uma competição chamada RoboCup.

Eu não sei quantos de vocês já ouviram sobre a RoboCup.

É uma competição internacional de futebol para robôs autônomos.

E o objetivo da RoboCup, o objetivo real é,

até o ano 2050

nós queremos ter robôs humanóides, autônomos em tamanho real

jogando futebol contra os campeões humanos da Copa do Mundo

e vencer.

É o objetivo de verdade. É bastante ambicioso,

mas nós acreditamos de verdade que podemos fazê-lo.

Esta é do ano passado na China,

Nós fomos o primeiro time dos Estados Unidos que se qualificaram

na competicão de robôs humanóides.

Esta é desse ano na Áustria.

Vocês vão ver a ação, três contra três,

completamente autônomos.

Lá vai. É isso aí!

Os robôs rastreiam e jogam,

times jogam entre si.

É muito impressionante. Na verdade, este é um evento de pesquisa

revestido por um evento competitivo bem emocionante.

O que vocês vêem aqui, isto é o lindo

troféu da Copa Louis Vuitton.

Este é o melhor humanóide,

e nós gostaríamos de trazer isto para os Estados Unidos pela primeira vez,

no próximo ano, portanto desejem-nos sorte.

Obrigado.

(Aplausos)

DARwin tem também vários outros talentos.

Ano passado ele conduziu a Orquestra Sinfônica de Roanoke

no concerto de feriado.

Este é o robô de próxima geração, DARwin IV,

mais inteligente, rápido, forte,

E ainda tentando mostrar suas habilidades.

"Eu sou macho, Eu sou forte."

Eu também posso fazer alguns movimentos do Jackie Chan

de arte marcial.

(Risos)

E ele sai caminhando. Este é DARwin IV,

de novo, vocês poderão vê-lo no lobby.

Nós realmente acreditamos que este vai ser o primeiro robô

corredor humanóide nos Estados Unidos. Portanto, fiquem ligados.

Certo, então eu mostrei a vocês alguns dos nossos robôs mais excitantes.

E qual é o segredo do nosso sucesso?

De onde nós tiramos essas idéias?

Como nós desenvolvemos esse tipo de idéias?

Nós temos um veículo totalmente autônomo

que pode dirigir em um ambiente urbano. Nós ganhamos meio milhão de dólares

no Desafio Urbano da DARPA.

Nós também temos o primeiro veículo

do mundo que pode ser dirigido por cegos.

Nós o chamamos de o desafio do motorista cego, muito empolgante,

e muito muitos outros projetos robóticos dos quais eu gostaria de falar.

Esses são os prêmios que ganhamos no outono de 2007,

em competições robóticas e coisas assim.

Bem, nós temos cinco segredos.

Primeiro é de onde tiramos inspiração,

onde conseguimos esta faísca de imaginação?

Esta é uma história real, minha história pessoal.

À noite quando vou para a cama, 3 ou 4 da madrugada,

eu deito, fecho meus olhos, e eu vejo essas linhas e círculos

e diferentes formas flutuando ao meu redor,

e elas se montam e elas formam esses mecanismos.

E então eu penso "Ah isso é legal."

Por isso, bem ao lado da minha cama eu deixo um caderno,

um diário, com uma caneta especial que tem um luz nela, um LED,

porque eu não quero ligar a luz e acordar minha esposa.

Então, eu vejo isso, escrevo tudo, desenho coisas,

e vou para a cama.

Todo dia de manhã,

a primeira coisa que faço antes da minha primeira xícara de café,

antes de escovar meus dentes, eu abro o meu caderno.

Muitas vezes ele está vazio,

algumas vezes eu tenho algo lá que as vezes é lixo,

mas a maioria das vezes eu nem consigo ler minha caligrafia.

E então, 4 da madrugada, o que vocês esperavam, certo?

Então, eu preciso decifrar o que eu escrevi.

Mas as vezes eu vejo esta idéia engenhosa ali,

e eu tenho esse momento eureka.

Eu corro direto para meu escritório, sento no meu computador,

e digito as idéias, eu faço esboços,

e mantenho um banco de dados de idéias.

Então, quando nós temos esses chamados por propostas

eu tento encontrar uma associação entre as minhas

idéias potenciais

e o problema, se existe uma associação nós escrevemos uma proposta de pesquisa,

conseguimos fundos para a pesquisa e é assim que iniciamos nossos programas de pesquisa.

Mas apenas uma faísca de imaginação não é suficiente.

Como nós desenvolvemos essas idéias?

No nosso laboratório RoMeLa, o Laboratório de Mecanismos Robóticos,

nós temos sessões fantásticas de brainstorming.

Nós nos reunimos e discutimos sobre os problemas

e problemas sociais e falamos sobre eles.

Mas antes de começar nós definimos essa regra de ouro.

A regra é:

Ninguém pode criticar a idéia de ninguém.

Ninguém critica qualquer opinião.

Isto é importante, porque muitas vezes, os alunos, eles temem

ou eles não se sentem à vontade com o que os outros podem pensar

sobre suas opiniões e pensamentos.

Então, uma vez que você estabeleça isso, é incrível

como os alunos se abrem.

Eles têm essas idéias malucas, legais, loucas, brilhantes,

a sala inteira é eletrificada com energia criativa.

E é assim que desenvolvemos nossa idéias.

Bem, nós estamos ficando sem tempo, uma outra coisa que gostaria de falar é

sabe, apenas uma fagulha de idéia e desenvolvimento ainda não é suficiente.

Houve um grande momento no TED,

eu acho que foi o Sir Ken Robinson, não foi?

Ele deu uma palestra sobre como a educação

e as escolas matam a criatividade.

Bem, na verdade há dois lados nesta história.

Há um limite para o que se pode fazer

apenas com idéias engenhosas

e criatividade e boa intuição de engenharia.

Se você quer ir além de ficar fuçando,

se você quer ir além de um hobby de robótica

e realmente atacar os grandes desafios da robótica

através de pesquisa rigorosa

nós precisamos de mais. É aí que as escolas entram.

O Batman, lutando contra os bandidos,

ele tem esse cinto de utilidades, ele tem o seu gacho,

tem vários tipos diferentes de apetrechos.

Para nós roboticistas, engenheiros e cientistas,

essas ferramentas, são os cursos e matérias que você aprende na sala de aula.

Matemática, equações diferenciais.

Eu tenho algebra linear, ciências, física,

mesmo hoje em dia, química e biologia, como vocês viram.

Essas são todas as ferramentas que precisamos.

Assim, quanto mais ferramentas tiver, para o Batman

mais efetivo ele será no combate aos bandidos,

para nós, mais ferramentas para atacar esse tipo de grandes problemas.

Assim, educação é muito importante.

Ainda, não é sobre isso,

somente isso, você também tem que trabalhar muito muito duro.

Então, eu sempre digo a meus alunos

trabalhe de forma inteligente e depois trabalhe duro.

Essa foto aqui atrás é às 3 da madrugada.

Eu garanto que se você vier ao nosso laboratório as 3, 4 da madrugada

nós temos alunos trabalhando lá,

não porque eu digo para eles virem mas porque nós estamos nos divertindo muito.

O que leva ao último tópico.

Não esqueça de se divertir.

Este é o real segredo do nosso sucesso. Nós estamos nos divertindo muito.

Eu acredito de verdade que a mais alta produtividade é conseguida quando você está se divertindo.

E é isso que estamos fazendo.

É isso aí. Muito obrigado.

(Aplausos)