Mojich sedem druhov robotov – a ako som ich vytvoril

Na TEDxNASA predstavuje Dennis Hong sedem ocenených robotov, vhodných do všetkých terénov -- rovnako ako humanoidný DARwin hrajúci futbal a CLIMBeR lezúci po útesoch -- všetky postavil jeho tím v laboratóriu RoMeLa, vo Virginia Tech. Pozrite si až do konca, kde uvidíte päť tvorivých tajomstiev vedúcich k ich neuveriteľnému technickému úspechu.

Takže, prvý robot, o ktorom budem hovoriť sa volá STriDER.

Je to skratka z Samobudivý

Trojnohý Dynamický Experimentálny Robot.

Je to robot, ktorý má tri nohy,

čo je inšpirované prírodou.

Ale videli ste už niečo v prírode,

napríklad zviera, ktoré má tri nohy?

Pravdepodobne nie. Tak prečo hovorím,

že toto je biologicky inšpirovaný robot? Ako je to možné?

Najskôr sa ale pozrime na súčasnú kultúru.

Isto poznáte román a film "Vojna svetov" od H. G. Wells-a.

A tu vidíte veľmi populárnu

počítačovú hru.

V beletrii opisujú tieto mimozemské tvory

ako roboty s troma nohami, ktoré terorizujú Zem.

Ale môj robot, StriDER, sa nehýbe takto.

Toto je animácia skutočnej dynamickej simulácie.

Ukážem vám, ako tento robot pracuje.

Pretočí svoje telo o 180 stupňov.

Prehodí svoju nohu pomedzi ostatné dve aby ustál pád.

Takže, takto chodí. Ale keď sa pozriete na nás,

ľudské bytosti, chodiace po dvoch nohách,

nerobíte to, že by ste použili sval

na zdvihnutie nohy a kráčali ako robot, však?

Vy vlastne vyhodíte nohu a ustojíte pád,

postavíte sa znova, znova prehodíte nohu a ustojíte pád.

Používate tak svoju vlastnú dynamiku, fyziku tela,

tak ako kyvadlo.

Nazývame to konceptom pasívne dynamického pohybu.

Čo robíte je, že keď sa postavíte,

premieňate potenciálnu energiu na kinetickú,

premieňate potenciálnu energiu na kinetickú.

Je to proces neustáleho padania.

Takže, aj keď v prírode neexistuje nič, čo vyzerá ako toto,

naozaj sme sa inšpirovali biológiou

a použili sme princípy chôdze

na tohto robota -- takže je to biologicky inšpirovaný robot.

Tu môžete vidieť, o toto sa snažíme ďalej.

Chceme zohnúť všetky nohy a vymrštiť ich kvôli pohybu na diaľku.

Keď rozloží nohy, vyzerá to skoro ako Hviezdne vojny.

Keď pristane, pohltí náraz a začne kráčať.

To, čo vidíte tu -- tá žltá vec -- to nie sú lúče smrti.

To len ukazuje, že ak máte kamery

alebo iný druh senzorov,

pretože je to vysoké, je to vysoké 1,8 metra,

môžete vidieť ponad prekážky ako krovie a podobné veci.

Máme dva prototypy.

Prvá verzia, v pozadí, to je STriDER I.

Ten vpredu, ten menší, to je STriDER II.

Problém, ktorý sme mali so STriDER-om I je,

že mal príliš ťažké telo. Mali sme veľa motorov,

veď viete, na vyrovnávanie kĺbov a podobné veci.

Tak sme sa rozhodli skĺbiť pohyblivý mechanizmus,

aby sme sa zbavili všetkých tých malých motorov, a aby sme dokázali

ovládať všetok pohyb jedným motorom.

Je to mechanické riešenie problému, namiesto mechanicko-elektronického.

Takže teraz je vrchné telo dostatočne ľahké, aby mohlo kráčať v laboratóriu.

Toto bol úplne prvý úspešný krok.

Stále nie je perfektný. Stále ešte padá,

takže máme ešte stále veľa práce.

Druhý robot, o ktorom chcem rozprávať sa volá IMPASS.

Je to skratka pre Inteligentnú Pohyblivú Plošinu so Systémom Pohyblivých Špíc.

Je to robot kombinujúci kolesá a nohy.

Predstavte si koleso bez okraja --

len špice z kolesa.

Ale tie špice sa samostatne hýbu dnu a von z hriadeľa.

Takže je to kríženec kolesa a nohy.

Doslova znova vynaliezame koleso.

Predvediem vám, ako to funguje.

Takže v tomto videu využívame metódu,

ktorá reaguje na okolie.

Jednoducho používajúc dotykový senzor na nohe

sa robot snaží prekráčať meniaci sa terén,

mäkký terén, ktorí sa mení tam, kde robot zatlačí.

A len pomocou dotykových informácií

sa mu úspešne podarí prejsť týmto typom terénu.

Ale keď narazí na veľmi extrémny terén --

v tomto prípade prekážku viac ako trikrát tak vysokú

ako je výška robota --

potom sa prepne do premýšľajúceho stavu

a použije laserový merací systém

a kamery, aby určil veľkosť a typ prekážky

a naplánuje si, starostlivo si naplánuje pohyb špíc,

a koordinuje ich, čím preukazuje

tento veľmi pôsobivý typ pohyblivosti.

Pravdepodobne ste ešte nevideli nič podobné.

Toto je robot s vysokou pohyblivosťou,

ktorého sme vyvinuli, nazývaný IMPASS.

No nie je to úžasné?

Keď šoférujete auto,

keď zabáčate, používate metódu

nazývanú Ackermanovo riadenie.

Predné kolesá sa otáčajú asi takto.

Väčšina tých malých robotov používa

metódu nazývanú rozdielové riadenie,

kedy sa pravé a ľavé koleso točia opačnými smermi.

IMPASS sa však dokáže pohybovať rôznymi spôsobmi.

Napríklad v tomto prípade, aj napriek tomu, že pravé a ľavé kolesu sú spojené

spoločnou osou a otáčajú sa rovnakou uhlovou rýchlosťou,

jednoducho zmeníme dĺžku špice.

Ovplyvní to polomer a následne sa otáča doľava alebo doprava.

Tak a toto je len zopár zaujímavých vecí,

ktoré dokáže IMPASS robiť.

Tento robot sa volá CLIMBeR,

Káblový Robot s Končatinami Inteligentne Meniaci Správanie.

Rozprával som sa s množstvom vedcov z Laboratória raketových pohonov

v NASA -- oni sú slávni kvôli Mars roverom.

A tí vedci, geológovia mi stále vravia,

že najzaujímavejšia veda,

tie najzaujímavejšie miesta sú vždy v útesoch.

Ale dnešné rovery sa tam nedokážu dostať.

Takže inšpirovaní týmto sme chceli postaviť robota,

ktorý by dokázal vyliezť na členité útesy.

Takže, toto je CLIMBeR.

Tak, tento robot má tri nohy. Pravdepodobne to ťažko vidno,

ale na vrchu má navijak a lano.

A snaží sa objaviť najlepšie miesto, kam položiť nohu.

A potom, keď na to príde,

v reálnom čase prepočíta rozloženie síl --

koľko sily potrebuje na prichytenie k povrchu tak,

aby sa nepotkol a nezošmykol.

Keď sa mu podarí stabilizovať posunutú nohu

potom s použitím navijaka dokáže preliezť takéto veci.

Je použiteľný aj na pátracie a záchranárske akcie.

Pred piatimi rokmi som pracoval v Laboratóriu raketových pohonov v NASA

počas leta ako fakultný výskumník.

Oni už vtedy mali šesť-nohého robota nazývaného LEMUR.

Takže tento je ním inšpirovaný. Tento robot sa volá MARS

Robotický Systém s Množstvom Končatín. Je to šesť-nohý robot.

Vyvinuli sme prispôsobivý plánovač chôdze.

Máme na ňom veľmi zaujímavý náklad.

Študenti sa radi zabávajú. A tu ho môžete vidieť

chodiť cez neupravený terén.

Snaží sa kráčať po hrboľatom teréne,

po piesočných oblastiach,

ale to, či a koľko sa mu noha preborí závisí na momentálnej

vlhkosti okolia a na veľkosti zŕn piesku.

Takže sa snaží prispôsobiť chôdzu aby úspešne prešiel cez tieto oblasti.

A dokáže aj zopár zábavných vecí, to si viete predstaviť.

Do laboratória nám chodí veľa návštevníkov.

Keď návštevníci vojdú, MARS prikráča k počítaču

a začne písať "Ahoj, volám sa MARS."

Vitajte v laboratóriu RoMeLa,

Laboratóriu Robotických Mechanizmov vo Virginia Tech.

Toto je meňavkovitý robot.

Nemáme síce čas ísť do technických podrobností,

ale ukážem vám zopár experimentov.

Toto je jeden z prvých praktických experimentov.

Uskladňujeme potenciálnu energiu v elastickej koži, aby sa mohol hýbať.

Alebo používame naťahovacie pružiny na pohyb

dopredu a dozadu. Nazýva sa ChIMERA.

Pracovali sme aj s vedcami a inžiniermi

z University of Pensylvania

a prišli sme s chemicky poháňanou verziou

tohto meňavkovitého robota.

Niečo tomu spravíme

a skoro zázračne sa to pohne. Ako vo filme Sliz.

Tento robot je veľmi nedávny projekt. Volá sa RAPHaEL.

Robotická Ruka Poháňaná Vzduchom s Elastickými Väzmi.

Na trhu je veľa naozaj presných, veľmi dobrých robotických rúk.

Problém je, že sú príliš drahé -- desiatky tisícov dolárov.

Takže nie sú veľmi praktické na využite ako protézy,

alebo nie sú za prijateľnú cenu.

Chceli sme sa do tohto problému pustiť z iného pohľadu.

Namiesto elektrických motorov a elektromechanických ovládačov

používame stlačený vzduch.

Vyvinuli sme tieto nové ovládače kĺbov.

Je to výborné. Dokážete jednoducho zmeniť silu

len tým, že zmeníte tlak vzduchu.

A dokáže to rozpučiť prázdnu plechovku.

Dokáže zdvihnúť veľmi krehké objekty, napríklad surové vajce

alebo v tomto prípade žiarovku.

A to najlepšie -- stálo iba 200$ vyrobiť prvý prototyp.

Tento robot je vlastne rodinou hadích robotov,

ktoré voláme HyDRAS,

Roboticky Artikulovaná Serpentína s Hyper-veľkým Stupňom voľnosti.

Je to robot, ktorý dokáže liezť na konštrukcie.

Toto je ruka HyDRASu --

robotická ruka s 12 stupňami voľnosti.

Ale najúžasnejšou časťou je užívateľské rozhranie.

Ten kábel tam, to je optické vlákno.

A študentka, pravdepodobne to používajúca prvýkrát,

to dokáže pohybovať rôznymi spôsobmi.

Tak napríklad v Iraku, vo vojnovej zóne,

sú cestné bomby. Teraz sa vyšlú

diaľkovo ovládané vozidlá s rukami.

Je naozaj časovo aj finančne náročné

vytrénovať operátorov ovládať túto komplikovanú ruku.

V tomto prípade je to veľmi intuitívne.

Tento študent robí, pravdepodobne na prvýkrát, veľmi zložitú manipuláciu --

dvíha a hýbe s objektmi --

len tak, úplne intuitívne.

Tak, toto je momentálne náš najslávnejší robot.

Máme pre neho aj fan-klub -- robot DARwIn,

Dynamický Antropomorfný Robot s Inteligenciou.

Ako už viete, veľmi nás zaujímajú

humanoidné roboty, ľudské kráčanie,

a tak sme sa rozhodli postaviť malého humanoidného robota.

Toto bolo v roku 2004, v tom čase

to bolo niečo naozaj prelomové.

Bolo to skôr niečo ako štúdia uskutočniteľnosti --

aké motory treba použiť?

Je to vôbec možné? Ako ho budeme ovládať?

Tento robot nemá žiadne senzory.

Je to robot s riadením bez spätnej väzby.

Niektorí asi viete, že ak robot nemá žiadne senzory

a nastanú nejaké rozruchy z okolia, viete, čo sa stane.

(Smiech)

Takže na základe tohto úspechu sme o rok

urobili náležitý mechanický dizajn,

začínajúc kinematikou.

A tak sa v roku 2005 zrodil DARwIn I.

Vie sa postaviť, kráčať. Veľmi pôsobivé.

Avšak stále, ako môžete vidieť,

má prívodný, pupočný kábel. Takže stále používame externý zdroj energie,

a externú výpočtovú silu.

A tak, v roku 2006, prišiel čas naozaj sa baviť.

Dajme mu inteligenciu. Dáme mu všetku výpočtovú silu, ktorú potrebuje,

1,5 gigaherzový čip Pentium M,

dve kamery, osem gyroskopov, akcelerometer,

štyri otočné senzory na nohu, lítiové články.

A teraz je DARwIn II úplne samostatný.

Nie je ovládaný na diaľku.

Nie je priviazaný. Rozhliadne sa navôkol, hľadá loptu,

rozhliadne sa navôkol, hľadá loptu a snaží sa hrať futbal,

samostatne, umelá inteligencia.

Pozrime sa, ako sa mu darí. Toto bola naša úplne prvá skúška

a... Video: Gól!

Existuje vlastne súťaž s názvom RoboCup.

Neviem, koľkí ste počuli o RoboCup-e.

Je to medzinárodná súťaž samostatných robotov vo futbale.

A cieľom RoboCup-u je, tým naozajstným cieľom,

aby v roku 2050, keď budeme

mať samostatných humanoidných robotov plnej veľkosti,

aby hrali futbal proti ľuďom, ktorí vyhrali Majstrovstvá sveta,

a aby vyhrali.

Je to skutočný cieľ. Je to veľmi ambiciózny cieľ,

ale naozaj veríme, že to dokážeme.

Takže toto je minulý rok v Číne.

Boli sme úplne prvý tím z USA, ktorý sa zúčastnil

súťaže humanoidných robotov.

Toto je z tohto roku, z Rakúska.

Uvidíte, ako to išlo, traja proti trom,

úplne samostatní.

Tak vidíte. Áno!

Roboti sledujú a hrajú,

tímy hrajú proti sebe.

Je to veľmi pôsobivé. Je to vlastne výskumné akcia,

zabalená do vzrušujúcej súťažnej akcie.

A to, čo vidíte tu, je tá prekrásna

trofej "Louis Vuitton Cup".

Tak, toto je pre najlepšieho humanoida

a my by sme to chceli po prvý krát doniesť do USA,

na budúci rok, tak nám držte palce.

Ďakujem.

(Potlesk)

DARwIn má nadanie aj na mnoho iných vecí.

Minulý rok dokonca dirigoval Symfonický Orchester Roanoke

na sviatočnom koncerte.

Toto je robot ďalšej generácie, DARwIn IV,

je múdrejší, rýchlejší, silnejší.

A snaží sa dať svoje schopnosti najavo.

"Som chlap, som silný."

Dokážem urobiť aj pohyby ako Jackie Chan,

manévre bojových umení.

(Smiech)

A teraz odchádza. Tak, toto je DARwIn IV,

a taktiež ho uvidíte vo vestibule.

Naozaj veríme, že toto bude úplne prvý bežiaci

humanoidný robot v USA. Takže nás sledujte aj ďalej.

Takže som vám ukázal niekoľko našich úžasných robotov.

Aké je teda tajomstvo úspechu?

Kde chodíme na všetky tieto nápady?

Ako rozvíjame tento druh nápadov?

Máme úplne autonómne vozidlo,

ktoré dokáže ísť mestským prostredím. Vyhrali sme pol milióna dolárov

v súťaži DARPA (Agentúra pre výskum pokročilých obranných projektov).

Tak isto máme prvé vozidlo na svete,

ktoré dokáže riadiť slepec.

Voláme to súťaž slepých vodičov, veľmi vzrušujúce,

a mnoho, mnoho ďalších projektov, o ktorých chcem hovoriť.

Toto sú len ceny, ktoré sme vyhrali na jeseň 2007

za rôzne robotické súťaže a podobné veci.

V skutočnosti máme 5 tajomstiev.

Prvým je inšpirácia --

kde získame tú iskru inšpirácie?

Toto je pravdivý príbeh, môj osobný príbeh.

V noci, keď idem do postele, okolo 3 - 4 ráno,

keď si ľahnem, zatvorím oči, tak vidím čiary a kruhy

a rôzne tvary poletovať okolo.

Tieto tvary sa poskladajú a sformujú akýsi mechanizmus.

A potom si pomyslím: "Ah, toto je super."

Takže hneď vedľa postele mávam zápisník,

denník, so špeciálnym perom so svetielkom, LED diódou,

pretože nechcem zapnúť svetlo a zobudiť manželku.

Takže všetko, čo vidím, si rýchlo poznamenám, nakreslím

a idem spať.

Každý deň ráno,

prvá vec, ktorú urobím pred prvou šálkou kávy,

pred tým, ako si umyjem zuby, si otvorím zápisník.

Často je prázdny,

občas tam niečo je, občas je to na nič,

ale zvyčajne ani nedokážem prečítať svoj rukopis.

Však, veď boli 4 hodiny ráno, čo čakáte?

Takže musím dešifrovať, čo som napísal.

Ale niekedy tam vidím ten geniálny nápad

a prežívam chvíľu "Heuréka!"

Okamžite bežím do svojej domácej kancelárie, sadám za počítač,

zapisujem nápady, kreslím veci,

a vediem si databázu nápadov.

Takže, keď nám telefonujú s ponukami,

snažím sa nájsť zhodu medzi

potenciálnymi nápadmi

a problémom a ak nájdem zhodu, napíšeme návrh na výskum,

získame financie a tak rozbehneme výskumný program.

Ale len iskra inšpirácie nestačí.

Ako rozvíjame tento druh nápadov?

V našom Laboratóriu Robotických Mechanizmov (RoMeLa)

máme fantastické brainstormingové porady.

Zídeme sa a diskutujeme o problémoch

a sociálnych problémoch a rozprávame sa o tom.

Ale než začneme, ujasníme si zlaté pravidlo.

Pravidlo je:

Nikto nekritizuje nápady ostatných.

Nikto nekritizuje žiadne názory.

Je to dôležité, pretože často sa študenti boja,

alebo sa cítia nesvoji kvôli tomu, čo si pomyslia ostatní

o ich názoroch a myšlienkach.

Takže ako náhle toto urobíte, je úžasné,

ako sa študenti stanú zhovorčiví.

Majú také bláznivé úžasné neuveriteľné nápady

a celá miestnosť je nabitá kreatívnou energiou.

A takto rozvíjame naše nápady.

Nuž, dochádza nám čas a posledná vec, o ktorej chcem rozprávať je,

že len iskra inšpirácie a jej rozvoj nie je dosť.

Bol tu významný TED moment,

myslím, že to bol Sir Ken Robinson, však?

Mal vystúpenie o tom, ako vzdelanie

a školy zabíjajú kreativitu.

Viete, v skutočnosti má tento príbeh aj druhú stranu.

Nie všetko sa dá dokázať

len pomocou geniálnych myšlienok,

kreativity a dobrej inžinierskej intuície.

Ak chcete viac ako sa len v niečom vŕtať,

ak chcete ísť ďalej ako je hobby-robotika

a naozaj sa pustiť do veľkých výziev robotiky

pomocou starostlivého výskumu,

potrebujete viac. A tu prichádza do hry škola.

Batman, bojujúci proti zloduchom,

mal svoj úžasný opasok, mal svoj vyťahovací hák,

mal všemožné prístroje.

Pre nás, staviteľov robotov, inžinierov a vedcov,

sú tieto prístroje zadania a úlohy, ktoré máme v škole.

Matematika, diferenciálne rovnice.

Mám lineárnu algebru, vedu, fyziku,

dokonca ja dnes, chémiu a biológiu, ako ste videli.

Toto všetko sú nástroje, ktoré potrebujeme.

A čím viac nástrojov máte, tým efektívnejšie

bojuje Batman proti zloduchom,

a my máme tým viac nástrojov na riešenie veľkých problémov.

Takže vzdelanie je veľmi dôležité.

Taktiež, nie je to len o tom,

taktiež musíte veľmi, veľmi tvrdo pracovať.

Vždy hovorím svojim študentom,

pracujte múdro, potom pracujte tvrdo.

Ten obrázok na pozadí, to sú 3 hodiny ráno.

Garantujem vám, ak prídete do laboratória o 3-4 ráno,

budú tam pracovať študenti,

nie preto, že som im to prikázal, ale preto, že sa veľmi dobre bavia.

Čo nás privádza k poslednej téme.

Nezabúdajte sa baviť.

To je skutočné tajomstvo nášho úspechu -- príliš dobre sa zabávame.

Naozaj verím, že najväčšia produktivita je, keď sa človek baví.

A presne to robíme.

Tak vidíte. Ďakujem veľmi pekne.

(Potlesk)