Projeto de agregado robótico auto-organizável inspirado em comportamentos fluidos e rígidos de pilhas de areia

Pesquisadores da Universidade de Chicago e do Instituto de Tecnologia de Illinois desenvolveram recentemente o Granulobot, um novo sistema robótico modular que pode mudar sua forma física para melhor navegar em diferentes ambientes.

Este sistema, introduzido em Robótica Científicainspira-se na capacidade dos bandos de pássaros, cardumes de peixes e outras assembleias de auto-organizarem seus comportamentos coletivos, bem como nas propriedades adaptativas suaves dos montes de areia (isto é, materiais granulares).

“Embora muitas vezes os projetos em robótica sejam motivados por aplicações, este trabalho surgiu de uma perspectiva mais fundamental, explorando novos paradigmas de computação de controle que aproveitam a física da auto-organização para projetar sistemas mais adaptáveis ​​e eficientes, com uma perspectiva de ‘vida artificial’, ” Baudouin Saintyves, autor principal do artigo, disse ao Tech Xplore.

“Sou físico, engenheiro e artista, com experiência em formação de padrões e em robótica como meio. Estou interessado em explorar o surgimento de propriedades semelhantes à vida em sistemas não vivos.”

Como parte deste estudo recente, os investigadores decidiram desenvolver um robô que pudesse adaptar rapidamente a sua forma para se mover em diferentes ambientes. O robô que eles projetaram baseia-se em trabalhos anteriores realizados no Jaeger Lab da Universidade de Chicago, com foco na física da matéria granular macia (por exemplo, pilhas de areia e suspensões de amido de milho), bem como no fascínio de Saintyves pela reprodução de padrões físicos em robôs.

“Em contraste com uma abordagem de resolução de problemas de cima para baixo, comum na engenharia, aqui empregamos uma abordagem de baixo para cima, mais comum na física experimental”, disse Saintyves. “Perguntamos como uma montagem de blocos de construção granulares muito simples, como grãos em uma pilha de areia, pode levar a propriedades inteligentes emergentes quando esses grãos são aumentados com capacidades de atuação.

“Da mesma forma que células em tecidos ou pássaros girando juntos, ao projetar sistemas que podem se auto-organizar e que podem usar propriedades notáveis ​​de agregados granulares, podemos incorporar uma forma de ‘inteligência’ emergente em sistemas robóticos modulares.”

Saintyves e seus colegas têm tentado produzir sistemas robóticos “inteligentes” que extraem sua inteligência de princípios físicos, em vez de aprendizado de máquina e outras computações digitais. Como algoritmos de aprendizado de máquina e outros cálculos complexos podem ser exigentes em termos computacionais, esses sistemas podem apresentar menor consumo de energia e, portanto, maior vida útil da bateria.

Saintyves estuda há anos como os padrões surgem na natureza, com grande interesse nas propriedades de auto-organização de materiais macios, como géis, grãos e materiais viscoelásticos. A sua investigação explorou estes fenómenos do ponto de vista físico, bem como de uma perspectiva mais artística.

“A auto-organização molda o mundo natural que nos rodeia”, disse ele. “Combinado com outros princípios fundamentais, como a evolução, dá origem à vida e à inteligência, simplesmente a partir de forças físicas que nos precedem, e pode ser observado em todas as escalas, desde a automontagem do DNA ou células em tecidos, até colónias de formigas ou pássaros rodopiando juntos. .

“Enquanto artista visitante na Universidade de Chicago e artista residente em um centro de arte contemporânea, desenvolvi uma performance de cinema ao vivo que usa a auto-organização como um ‘boneco’ que encena uma vida emergente. Durante este projeto, construí meu primeiro sistemas robóticos.”

Seu fascínio pela “vida artificial” acabou atraindo Saintyves para o campo da robótica, incentivando-o a iniciar uma colaboração com o roboticista e especialista em física da matéria mole Heinrich Jaeger, do Instituto James Franck. Jaeger vem estudando pilhas de areia, suspensões de amido de milho e outros materiais granulares, com interesse em suas potenciais aplicações em robótica.

“O design dos Granulobots demonstra uma abordagem de controle geral que aproveita as propriedades altamente adaptáveis ​​de materiais macios, aqui materiais granulares, com respostas líquidas ou sólidas, combinando-as com princípios de auto-organização”, disse Saintyves.

Em seu artigo, os pesquisadores introduziram uma nova forma de sistema inteligente incorporado. Este sistema foi projetado para adaptar sua estrutura corporal aproveitando apenas os princípios físicos, sem depender de quaisquer cálculos digitais.

“Projetar sistemas robóticos capazes de mudar sua forma e flexibilidade para se adaptarem a vários ambientes continua sendo um grande desafio de engenharia”, disse Saintyves. “Para resolver isso, apresentamos Granulobots, um sistema robótico auto-reconfigurável inspirado nas propriedades altamente adaptativas da matéria granular. Imagine-o como uma coleção de grãos que se conectam para formar agregados, semelhante a uma pilha de areia úmida, mas agora com grãos motorizados. “

Os Granulobots projetados por Saintyves e seus colegas são pequenos sistemas que podem unir, separar e produzir diferentes estruturas aplicando torque umas às outras. As capacidades de auto-organização dos robôs permitem-lhes adaptar-se e deformar-se continuamente, tal como fazem os materiais líquidos ou sólidos,

Os parâmetros de controle local definidos em todos os Granulobots permitem que eles autocoordenem seus movimentos para produzir estilos de locomoção agregados adequados para diferentes condições ambientais, sem receber qualquer entrada de um computador central. Seus movimentos são, portanto, produto de interações mecânicas.

“Os agregados podem ‘fluir’ sobre obstáculos e se autocoordenar para deslizar em superfícies escorregadias ou rastejar e rolar em terrenos antiderrapantes, sem comunicação sem fio entre robôs”, disse Santyves. “Este projeto demonstra uma forma de computação de controle baseada em feedback mecânico, em vez de eletrônicos e sensores sofisticados, avançando no desenvolvimento de sistemas robóticos resilientes com a capacidade de se transformar e se adaptar a várias funções e condições.”

O design robótico inovador introduzido por Saintyves e seus colaboradores permite a coexistência de várias propriedades notáveis ​​num único corpo, empregando uma estrutura de controle simples e descentralizada. Os seus princípios subjacentes abrem oportunidades interessantes para a criação de robôs inteligentes, confundindo os limites entre a robótica de enxame, a robótica suave e modular.

“Este trabalho abre a possibilidade para um novo paradigma de computação de controle que é, por design, mais adaptável às mudanças ambientais, com computação digital e pegada energética menores”, disse Saintyves. “Invertendo o princípio ‘o material é a máquina’ que desencadeou pesquisas emocionantes sobre mecanismos compatíveis onde um metamaterial cuidadosamente projetado pode exibir propriedades semelhantes às de uma máquina, assumimos a postura oposta: ‘a máquina é o material’. Este princípio é amplamente utilizado pela natureza para incorporar a inteligência de forma eficiente.”

Os pesquisadores demonstraram o potencial de seu projeto em vários testes iniciais, que demonstraram sua capacidade de autocoordenar os movimentos dos robôs de forma autônoma e se adaptar a ambientes em mudança com o mínimo de cálculos digitais. Nos seus próximos estudos, planeiam melhorar ainda mais os seus Granulobots para também apoiar a tomada de decisões autónoma e a otimização descentralizada de parâmetros para identificar marchas de locomoção ideais.

Essas melhorias podem permitir que os robôs identifiquem de forma autônoma os melhores movimentos de locomoção para navegar em ambientes específicos, para então alternar entre os movimentos quando as condições mudarem.

“Este não é um objetivo difícil de alcançar, uma vez que estratégias de controlo descentralizadas foram implementadas no passado em sistemas robóticos de enxame, mas baseiam-se em comportamentos de agentes que podem ser programados localmente”, disse Saintyves. “Voltando às perguntas iniciais que fiz ao iniciar este projeto, ‘como uma montagem de blocos de construção granulares muito simples, como grãos em uma pilha de areia, pode levar a propriedades inteligentes emergentes quando esses grãos são aumentados com capacidades de atuação,’ aqui é natural perguntar quão mínimos e físicos esses comportamentos dos agentes podem ser na implementação da tomada de decisão ou de propriedades coletivas de aprendizagem mais sofisticadas.

Em seu trabalho futuro, Saintyves e seus colegas também planejam criar um sistema tridimensional (3D) baseado em Granulobot. Isto poderia ser feito criando unidades robóticas compostas por agregados mais complexos de Granulobots 2D ou projetando uma versão esférica de seu robô modular.

“Prevejo que surgirão novas físicas interessantes a partir de tais características e, por sua vez, novas oportunidades para alavancar formas mecânicas de computação de controle”, acrescentou Saintyves. “Por último, projetar um sistema ideal com apenas as propriedades necessárias nos permitirá miniaturizar e desenvolver uma forma mais contínua de matéria robótica. Personagens de ficção científica como T-1000 em Terminator ou o Sandman em Spiderman ficarão então mais próximos da realidade. “

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