Zamislite mehaničku ruku od mekog robota koja se savija oko grožđa ili brokule, prilagođavajući svoj zahvat u stvarnom vremenu dok podiže predmet. Za razliku od tradicionalnih krutih robota koji nastoje izbjeći kontakt s okolinom i držati se podalje od ljudi zbog sigurnosnih razloga, ova ruka osjeća suptilne sile, rastegnuvši se i savijajući se na načine koji oponašaju fleksibilnost ljudske ruke. Svaki njezin pokret pažljivo je izračunat kako bi se izbjegla prekomjerna sila, dok se istovremeno učinkovito obavlja zadatak. U laboratorijima MIT-a, poput Laboratorija za računalne znanosti i umjetnu inteligenciju (CSAIL) i Laboratorija za informacijske i odlučivačke sustave (LIDS), ovi naizgled jednostavni pokreti rezultat su složene matematike, pažljivog inženjeringa i vizije robota koji mogu sigurno komunicirati s ljudima i osjetljivim predmetima.
Meki roboti, sa svojim deformabilnim tijelima, obećavaju budućnost u kojoj će strojevi kretati se bez problema uz ljude, pomagati u skrbi ili rukovati osjetljivim predmetima u industrijskim okruženjima. Ipak, ta fleksibilnost čini ih teškim za kontrolu. Mali zavoji ili uvijanja mogu proizvesti nepredvidive sile, povećavajući rizik od oštećenja ili ozljeda. To potiče potrebu za sigurnim kontrolnim strategijama za meke robote.
“Inspirirani napretkom u sigurnoj kontroli i formalnim metodama za krute robote, nastojimo prilagoditi te ideje mekim robotima — modelirajući njihovo složeno ponašanje i prihvaćajući, umjesto izbjegavajući, kontakt — kako bismo omogućili dizajne viših performansi (npr. veće nosivosti i preciznosti) bez žrtvovanja sigurnosti ili ugrađene inteligencije,” kaže glavni autor i pomoćni profesor na MIT-u, Gioele Zardini, koji je glavni istraživač u LIDS-u i Odjelu za građevinarstvo i okoliš, te suradnik na Institutu za podatke, sustave i društvo (IDSS). “Ova vizija dijeli se s nedavnim i paralelnim radovima drugih grupa.”
Sigurnost na prvom mjestu
Tim je razvio novi okvir koji kombinira teoriju nelinearne kontrole (kontroliranje sustava koji uključuju visoko složene dinamike) s naprednim tehnikama fizičkog modeliranja i učinkovitim optimizacijama u stvarnom vremenu kako bi proizveo ono što nazivaju “sigurnošću svjesnom kontakta.” U središtu pristupa nalaze se funkcije kontrolnih barijera višeg reda (HOCBF) i funkcije Lyapunov višeg reda (HOCLF). HOCBF definira sigurne operativne granice, osiguravajući da robot ne vrši nesigurne sile. HOCLF usmjerava robota učinkovito prema svojim ciljevima, balansirajući sigurnost s performansama.
“U suštini, učimo robota da poznaje svoje granice kada komunicira s okolinom, dok istovremeno ostvaruje svoje ciljeve,” objašnjava Kiwan Wong, doktorand na MIT-u i glavni autor novog rada koji opisuje ovaj okvir. “Pristup uključuje složenu derivaciju dinamike mekog robota, modela kontakta i kontrolnih ograničenja, ali specifikacija kontrolnih ciljeva i sigurnosnih barijera je prilično jednostavna za praktičare, a rezultati su vrlo opipljivi, jer vidite robota kako se glatko kreće, reagira na kontakt i nikada ne uzrokuje nesigurne situacije.”
“U usporedbi s tradicionalnim kinematičkim CBF-ovima — gdje je teško specificirati sigurne skupine — HOCBF okvir pojednostavljuje dizajn barijera, a njegova optimizacijska formulacija uzima u obzir dinamiku sustava (npr. inerciju), osiguravajući da meki robot stane dovoljno rano kako bi izbjegao nesigurne sile kontakta,” dodaje Wei Xiao, pomoćni profesor na Worcester Polytechnic Institute i bivši postdoktorand u CSAIL-u.
“Od kada su se meki roboti pojavili, područje je istaknulo njihovu ugrađenu inteligenciju i veću inherentnu sigurnost u odnosu na krute robote, zahvaljujući pasivnim materijalima i strukturnoj fleksibilnosti. Ipak, njihova ‘kognitivna’ inteligencija — posebno sigurnosni sustavi — zaostajala je za onima krutih serijskih manipulatora,” kaže koautor Maximilian Stölzle, istraživački pripravnik u Disney Research i bivši doktorand na Tehnološkom sveučilištu Delft. “Ovaj rad pomaže zatvoriti tu prazninu prilagođavanjem dokazanih algoritama mekim robotima i prilagođavanjem za siguran kontakt i meke kontinuum dinamike.”
Testiranje sustava
Tim iz LIDS-a i CSAIL-a testirao je sustav kroz niz eksperimenata osmišljenih da izazovu sigurnost i prilagodljivost robota. U jednom testu, ruka je nježno pritisnula na fleksibilnu površinu, održavajući preciznu silu bez prekoračenja. U drugom, pratila je konture zakrivljenog objekta, prilagođavajući svoj zahvat kako bi izbjegla klizanje. U još jednoj demonstraciji, robot je manipulirao krhkim predmetima uz ljudskog operatera, reagirajući u stvarnom vremenu na neočekivane pomake ili pomake. “Ovi eksperimenti pokazuju da naš okvir može generalizirati na razne zadatke i ciljeve, a robot može osjetiti, prilagoditi se i djelovati u složenim scenarijima, uvijek poštujući jasno definirane sigurnosne granice,” ističe Zardini.
Meki roboti s sigurnošću svjesnom kontakta mogli bi biti od velike koristi u visokorizičnim okruženjima. U zdravstvu, mogli bi pomoći u operacijama, pružajući preciznu manipulaciju uz smanjenje rizika za pacijente. U industriji, mogli bi rukovati krhkim robama bez stalnog nadzora. U domaćim okruženjima, roboti bi mogli pomoći u kućanskim poslovima ili zadacima skrbi, sigurno komunicirajući s djecom ili starijim osobama — ključni korak prema tome da meki roboti postanu pouzdani partneri u stvarnim okruženjima.
“Meki roboti imaju nevjerojatan potencijal,” kaže koautorica Daniela Rus, direktorica CSAIL-a i profesorica na Odjelu za elektrotehniku i računalne znanosti. “No, osiguranje sigurnosti i kodiranje pokretnih zadataka putem relativno jednostavnih ciljeva oduvijek su bili središnji izazov. Željeli smo stvoriti sustav u kojem robot može ostati fleksibilan i responzivan, dok matematički jamči sigurnost.”
Zaključak
Razvoj mekih robota s naprednim sustavima kontrole predstavlja značajan korak prema sigurnijoj interakciji između robota i ljudi. Ova tehnologija ne samo da poboljšava učinkovitost i preciznost u raznim industrijama, već i otvara vrata novim mogućnostima u svakodnevnom životu. S obzirom na trenutne trendove i istraživanja, očekuje se da će meki roboti postati sve prisutniji u našim životima, čime će se dodatno unaprijediti njihova sigurnost i funkcionalnost.
Česta pitanja (FAQ)
Što su meki roboti?
Meki roboti su roboti s deformabilnim tijelima koji mogu prilagoditi svoj oblik i pokrete, omogućujući im da se bolje uklapaju u različite zadatke i okruženja.
Kako meki roboti osiguravaju sigurnost?
Meki roboti koriste napredne sustave kontrole koji im omogućuju da prepoznaju svoje granice i prilagode svoje pokrete kako bi izbjegli nesigurne situacije.
Gdje se mogu koristiti meki roboti?
Meki roboti mogu se koristiti u raznim područjima, uključujući zdravstvo, industriju, kao i u domaćim okruženjima za pomoć u kućanskim poslovima ili skrbi.
Koje su prednosti mekih robota u odnosu na krute robote?
Meki roboti imaju veću fleksibilnost, sposobnost prilagodbe i inherentnu sigurnost zbog svoje strukturalne fleksibilnosti, što ih čini pogodnijima za interakciju s ljudima i osjetljivim predmetima.
Kako se testiraju sustavi mekih robota?
Sustavi mekih robota testiraju se kroz različite eksperimente koji izazivaju njihovu sigurnost i prilagodljivost, uključujući interakciju s fleksibilnim površinama i manipulaciju krhkim predmetima.
