Robogamis: Οι πραγματικοί διάδοχοι των Terminators και των Transformers

* Το άρθρο του καθηγητή μηχανολογίας και διευθυντή του εργαστηρίου αναδιαμορφώσιμης ρομποτικής στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (EPFL) στη Λωζάνη, Jamie Paik δημοσιεύτηκε στο Aeon. Τo Αeon, είναι διαδικτυακό περιοδικό, που θέτει μεγάλα ερωτήματα, αναζητώντας φρέσκες απαντήσεις και μια νέα οπτική στην κοινωνική πραγματικότητα, την επιστήμη, τη φιλοσοφία και τον πολιτισμό. Το NEWS 24/7 αναδημοσιεύει κάθε εβδομάδα μια ιστορία για όσους λατρεύουν την πρωτότυπη σκέψη πάνω σε παλιά και νέα ζητήματα.

Ρωτήστε οποιονδήποτε ποια εικόνα έρχεται στο μυαλό όταν λέτε τη λέξη “ρομπότ” και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι θα λάβετε απαντήσεις εμπνευσμένες από τη λαϊκή κουλτούρα. Για παράδειγμα, το υγρό μέταλλο, που αλλάζει σχήμα T-1000 από την ταινία Terminator 2: Judgment Day (1991), ή ο Όπτιμους Πράιμ, ηγέτης των Ότομποτς και ο κύριος χαρακτήρας στις ταινίες Transformers (2014-). Και ποιος μπορεί να ξεχάσει τον Ντέιτα από το Star Trek: The Next Generation (1987-94), μια ηλεκτρονική έκδοση του Πινόκιο, που επιδιώκει να γίνει πιο ανθρώπινη;

Αυτά (και αμέτρητα άλλα) παραδείγματα μοιράζονται ανθρωποειδή χαρακτηριστικά που είναι ενσωματωμένα στα σχέδιά τους. Όταν ο Όπτιμους δεν είναι φορτηγό, έχει χέρια και πόδια. Η βασική μορφή του T-1000 εμφανίζεται ως άνθρωπος. Ο Ντέιτα διαμορφώθηκε σύμφωνα με τον πολύ ανθρώπινο δημιουργό του. Σύμφωνα με τα πρότυπα του Χόλιγουντ, η απόλυτη μορφή ρομποτικής τεχνολογίας θα μπορούσε να είναι δυσδιάκριτη εξωτερικά από τους ίδιους τους ανθρώπους.

Οι φαντασίες μας κυριαρχούν ελεύθερα, αλλά οι τεχνολογικές προκλήσεις εξακολουθούν να περιορίζουν τη δημιουργία ρομπότ που μιμούνται τέλεια τις ανθρωποειδείς συμβάσεις στον πραγματικό κόσμο. Ωστόσο, προσπάθησα να ανταποκριθώ στην αποστολή. Οι σπουδές μου στη μηχανολογία μου επέτρεψαν να συνεχίσω την αναζήτησή μου για το σχεδιασμό μηχανισμών με δύσκολες παραμέτρους. Ένας από αυτούς ήταν ο σχεδιασμός ενός προσομοιωτή ανθρώπινης οφθαλμικής κίνησης. Όχι, δεν ήταν εργασία για τη δημιουργία ενός τμήματος Terminator. Μάλλον, ήταν μια προσπάθεια κατανόησης και προσομοίωσης της συμπεριφοράς του ανθρώπινου ματιού.

Αυτό απαιτούσε την επινόηση ενός οφθαλμικού συστήματος που έκανε μια σακκαδική κίνηση – μια γρήγορη, ταυτόχρονη κίνηση δύο ματιών στην ίδια κατεύθυνση με μέγιστη ταχύτητα μεγαλύτερη από 500 μοίρες ανά δευτερόλεπτο (ναι, εμείς οι άνθρωποι το κάνουμε αυτό). Όπως τα ανθρώπινα μάτια, το μηχανικό σύστημα θα λειτουργούσε μέσω τριών ανεξάρτητων περιστροφικών βαθμών ελευθερίας (DoF). Τα μάτια μας όχι μόνο κινούνται πάνω-κάτω και αριστερά-δεξιά, αλλά επίσης παρουσιάζουν συστροφή – περιστρεφόμενες κινήσεις. Η προσαρμογή όλων των ηλεκτρικών και μηχανικών εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων των αρμών, των συνδέσμων και των μοτέρ, σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ήταν μια πρόκληση. Και όλα για μια πολύ καθορισμένη και μοναδική εργασία.

Ακολούθησαν μερικοί άλλοι τύποι ρομπότ εμπνευσμένων από ανθρωποειδή. Και ενώ κατάφερα να ικανοποιήσω τον άμεσο στόχο, όποιος κι αν ήταν, τα ρομπότ μου είχαν περιορισμούς. Για παράδειγμα, σχεδίασα ένα ρομποτικό χέρι 8-DoF και έναν βραχίονα 7-DoF (μαζί ζύγιζαν 3,7 κιλά, βάρος συγκρίσιμο με αυτό των ανθρώπων) που παρέμειναν αρκετά ευέλικτα για να πιάσουν και να ρίξουν μια μπάλα του μπέιζμπολ, αλλά δεν μπόρεσαν να πιάσουν και να σηκώσουν ένα κέρμα. Μπορούσαν να σφίξουν χέρια με μια δυνατή λαβή, αλλά δεν μπόρεσαν να παίξουν πόλεμο με αντίχειρες.

Τα άκρα που δημιουργούσα ήταν, εν ολίγοις, περιορισμένης λειτουργίας. Είχαν έναν σταθερό αριθμό αρμών και ενεργοποιητών, πράγμα που σήμαινε ότι η λειτουργικότητα και το σχήμα τους περιορίζονταν από τη στιγμή της “γέννησής” τους. Σκεφτείτε αυτό το ρομποτικό χέρι: είχε αρθρωτές και μηχανοκίνητες αρθρώσεις που του επέτρεψαν να χτυπήσει μια μπάλα, αλλά δεν ήταν κατάλληλες για να κάνει ομελέτα. Αλλά αν υπήρχε μια άπειρη ποικιλία εργασιών, θα απαιτούσε μια άπειρη ποικιλία συνδυασμών;

Ο απεριόριστος κόσμος που βλέπουμε σε ταινίες όπως το Big Hero 6 (2014), με μάικρομποτς, φάνηκε πολύ μακριά όταν συνειδητοποίησα ότι υπήρχε ήδη μια ευέλικτη και πολυχρηστική σχεδιαστική πλατφόρμα. Αυτή η μέθοδος για τη λήψη του ίδιου βασικού στοιχείου και τη χρήση του για τη δημιουργία πολλών διακριτών και συγκεκριμένων μορφών υπάρχει εδώ και αιώνες. Ονομάζεται οριγκάμι.

Ποιος δεν έχει φτιάξει χάρτινο αεροπλάνο, χάρτινο καραβάκι ή γερανό από ένα φύλλο χαρτιού; Το οριγκάμι είναι μια ήδη υπάρχουσα και εξαιρετικά ευέλικτη πλατφόρμα για σχεδιαστές. Από ένα μόνο φύλλο, μπορεί κανείς να κάνει πολλά σχήματα και, αν δεν σας αρέσει, το ξεδιπλώνετε και το διπλώνετε ξανά. Στην πραγματικότητα, τα μαθηματικά έχουν αποδείξει ότι οποιαδήποτε μορφή 3D μπορεί να κατασκευαστεί από αναδιπλούμενες επιφάνειες 2D.

Θα μπορούσε να εφαρμοστεί στο ρομποτικό σχέδιο; Φανταστείτε ένα ρομποτικό δομοστοιχείο που θα χρησιμοποιούσε σχήματα πολυγώνου για την κατασκευή πολλαπλών διαφορετικών φορμών για τη δημιουργία πολλών ρομπότ για πολλές διαφορετικές εργασίες. Επιπλέον, η ιδέα περιλαμβάνει ένα έξυπνο φύλλο που θα μπορούσε να αναδιπλωθεί σε οποιαδήποτε μορφή θέλει, ανάλογα με τις ανάγκες του περιβάλλοντος.

Έφτιαξα το πρώτο μου ρομπότ οριγκάμι, το οποίο ονόμασα “ρομπογκάμι”, πριν από περίπου 10 χρόνια. Ήταν ένα απλό ον, ένα από ίσιο φύλλο ρομπότ, το οποίο θα μπορούσε να μετατραπεί σε πυραμίδα και να επιστρέψει σε επίπεδο φύλλο και στη συνέχεια σε διαστημικό λεωφορείο.

Η έρευνά μου, που πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια φοιτητών διδακτορικού και ενός μεταπτυχιακού ερευνητή, έχει προχωρήσει από τότε, και μια νέα γενιά ρομπογκάμι γίνεται πράξη. Αυτή η νέα γενιά ρομπογκάμι εξυπηρετεί έναν σκοπό: για παράδειγμα, ένα από αυτά μπορεί να πλοηγηθεί σε διαφορετικά εδάφη αυτόνομα. Σε ξηρή και επίπεδη γη, μπορεί να σέρνεται. Εάν ξαφνικά συναντήσει τραχύ έδαφος, θα αρχίσει να κυλά, ενεργοποιώντας μια διαφορετική ακολουθία ενεργοποιητών. Επιπλέον, αν συναντήσει ένα εμπόδιο, απλά θα το ξεπεράσει! Το κάνει αυτό αποθηκεύοντας ενέργεια σε κάθε ένα από τα πόδια του, στη συνέχεια την απελευθερώνει και εκτοξεύεται σαν σφεντόνα.

Μπορούν ακόμη και να συνδεθούν και να αποσπαστούν, ανάλογα με το περιβάλλον και την αποστολή. Αντί να είναι ένα μόνο ρομπότ που έχει σχεδιαστεί ειδικά για μία μόνο εργασία, τα ρομπογκάμι έχουν σχεδιαστεί και βελτιστοποιηθεί για πολλαπλές εργασίες από το μηδέν.

Αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός μεμονωμένου ρομπογκάμι. Αλλά φανταστείτε τι θα μπορούσαν να κάνουν πολλά ρομπογκάμι ως ομάδα. Θα μπορούσαν να ενώσουν τις δυνάμεις τους για να αντιμετωπίσουν πιο περίπλοκες εργασίες. Κάθε δομοστοιχείο, είτε ενεργό είτε παθητικό, θα μπορούσε να συναρμολογηθεί για να δημιουργήσει διαφορετικά σχήματα. Και όχι μόνο αυτό, ελέγχοντας τις αναδιπλούμενες αρθρώσεις, μπορούν να “πέσουν με τα μούτρα” σε διάφορες εργασίες σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Για παράδειγμα, σκεφτείτε το διάστημα όπου οι συνθήκες είναι απρόβλεπτες. Μια ενιαία ρομποτική πλατφόρμα που μπορεί να μετατραπεί για να κάνει πολλαπλές εργασίες μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα επιτυχίας της αποστολής.

Ο σχεδιασμός του ρομπογκάμι οφείλει την αποτελεσματική γεωμετρική αναδιαμόρφωσή του σε δύο κύριες επιστημονικές ανακαλύψεις. Η μία είναι η διεργασία κατασκευής 2D ανά στρώμα: πολλαπλά λειτουργικά στρώματα των βασικών ρομποτικών εξαρτημάτων (δηλαδή μικροελεγκτές, αισθητήρες, ενεργοποιητές, κυκλώματα και ακόμη και μπαταρίες) στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο. Η άλλη είναι η σχεδιαστική μετάφραση των τυπικών μηχανικών συνδέσμων σε μια ποικιλία πτυσσόμενων συνδέσμων (π.χ. σταθερός σύνδεσμος, αρθρωτός σύνδεσμος, επίπεδη και σφαιρική σύνδεση).

Αυτό σημαίνει ότι, αντί να επικεντρωθούμε μόνο στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους των στοιχείων σύνδεσης, μπορούμε πραγματικά να μειώσουμε τον αριθμό των εξαρτημάτων κατά τον σχεδιασμό ρομπότ. Μπορούμε να κάνουμε μικροσκοπικά συστήματα με πολλά εξαρτήματα που απαιτούν σύνθετη συναρμολόγηση και βαθμονομήσεις κάνοντάς τα επίπεδα. Μπορούν να στοιβάζονται και να διατηρούν την ακρίβειά τους.

Ένα τέτοιο σύστημα είναι μια απτική συσκευή, στην οποία ο χρήστης και ο υπολογιστής αλληλεπιδρούν μέσω ενός μηχανισμού όπως ένα χειριστήριο. Αυτά χρησιμοποιούνται παραδοσιακά ως χειρουργικά ρομπότ, που οι χειρουργοί απαιτούν υψηλή ακρίβεια με ευαίσθητη ανάδραση δύναμης. Αυτό απαιτεί ένα μεγάλο χειρουργείο με ρομποτικούς βραχίονες υψηλής DoF, όπου οι χειρουργοί θα μπορούν να αισθάνονται διαφορετική ακαμψία οργάνων και κοιλοτήτων μέσω μιας μηχανοκίνητης διεπαφής που θα μεταφράζει τη διαφορά δύναμης στην άκρη ενός ρομποτικού τελικού τελεστή.

Με τα ρομπογκάμι, αυτή η απτική τεχνολογία μπορεί να είναι πιο προσιτή από ποτέ. Η απτική διεπαφή των ρομπογκάμι θα ήταν σαν ένα πτυσσόμενο χειριστήριο που θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε ένα κάλυμμα κινητού τηλεφώνου. Η σύνδεση μιας απτικής διεπαφής απευθείας με ένα κινητό τηλέφωνο σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορητό χειριστήριο που μπορεί να αντιδρά στις καθημερινές μας δραστηριότητες, όπως η ηλεκτρονική μάθηση ή οι αγορές. Αυτό θα σας επιτρέψει να αισθανθείτε τα διαφορετικά όργανα σε έναν άτλαντα ανθρώπινης ανατομίας, διαφορετικά γεωγραφικά χαρακτηριστικά σε έναν χάρτη ή ακόμα και τη σκληρότητα ή την ωριμότητα διαφορετικών τύπων τυριών και ροδάκινων.

Η τεχνολογία ρομποτικής εξελίσσεται για να είναι πιο εξατομικευμένη και προσαρμοστική για τον άνθρωπο και αυτό το μοναδικό είδος αναδιαμορφώσιμων ρομπότ οριγκάμι αφήνει τεράστια υπόσχεση. Θα μπορούσε να γίνει η πλατφόρμα για την παροχή της διαισθητικής, ενσωματωμένης ρομποτικής διεπαφής για την κάλυψη των αναγκών μας. Τα ρομπότ δεν θα μοιάζουν πλέον με τους χαρακτήρες των ταινιών. Αντ’ αυτού, θα είναι γύρω μας, προσαρμόζοντας συνεχώς τη μορφή και τη λειτουργία τους – και δεν θα το γνωρίζουμε καν.