Izvještaji nakon nesreće opisivali su kako je visok stupanj radijacije ometao pokušaje zaposlenika nuklearne elektrane da poduzmu hitne mjere za sanaciju, poput zatvaranja ventila. Bila je to savršena misija za robota, ali nitko u Japanu ili svijetu nije imao mogućnosti angažirati takvog robota. Fukushima je prisilila mnoge stručnjake iz robotske zajednice da se uhvate ukoštac s razvojem robota za kritične situacije te da tehnologiju iz laboratorija presele u svijet. Danas nismo ni blizu autonomnih robota za krizne situacije, i otud raste interes za teleoperaciju. Znanstvena udruženja, poput američkog DARPA Robotics Challenge i japanskog ImPACT Tough Robotics Challenge, ulažu velike napore u zajedničkoj suradnji razvoja robota za krizne situacije jer prirodne katastrofe ne poznaju granice, a nepredvidive su u svom djelovanju. Zbog toga je značajan recentni pronalazak znanstvenika s MIT-a koji su stvorili dvopednog (dvonožnog) robota HERMES koji se pokreće pomoću teleoperacijskog odijela koje zasad na sebi nose znanstvenici na svojim tijelima. Tako refleksi znanstvenika pomažu HERMES-u da se kreće i reagira na posljedice potencijalne katastrofe.

Roboti koji odgovaraju na zahtjeve katastrofa postigli su značajan napredak od Fukushime. Istraživačke skupine širom svijeta razvile su autonomna vozila koja mogu voziti preko ruševina, robotske zmije koje mogu ulaziti kroz uske prostore u ruševinama, i dronove koji mogu snimati ugrožena područja iz zraka. Istraživači također projektiraju humanoidne robote koji mogu pregledavati oštećenja i obavljati kritične zadatke poput pristupa instrumentnim pločama i dostavljati opremu za prvu pomoć.

No unatoč napretku, izgradnja robota koji ima iste sposobnosti odlučivanja poput djelatnika hitne pomoći, ostaje izazov.

Otvaranje teških vrata, gašenje vatre aparatom za gašenje požara i drugi jednostavni ali naporni zadaci zahtijevaju razinu koordinacije koju roboti tek trebaju savladati. Kako bi testirali svoj teleoperacijski koncept, istraživači MIT-a su HERMES-u postavili zadatke koji zahtijevaju snagu, poput korištenja aparata za gašenje požara i provaljivanja kroz zaključana vrata. MIT-ov je laboratorij dugo istraživao kako ih biološki sustavi mogu inspirirati na dizajn boljih strojeva. Posebno ograničenje postojećih robota njihova je nesposobnost da izvedu akcije za koje je potrebna manipulativna snaga – naporne pothvate poput uklanjanja komada betona s ceste ili probijanja zaključanih vrata sjekirom. Većina je dosadašnjih robota dizajnirana za osjetljivije i preciznije pokrete i nježniji kontakt. Jedan od načina kompenzacije ovog ograničenja je uporaba teleoperacije – ljudski operater daljinski kontrolira robota, kontinuirano ili tijekom određenih zadataka, kako bi mu pomogao da postigne više nego što bi mogao sam.

Teleoperativni roboti već se dugo koriste u industrijskim, zrakoplovnim i podvodnim uvjetima. U novije vrijeme istraživači su eksperimentirali sa sustavima za snimanje pokreta kako bi u stvarnom vremenu premjestili pokrete osobe na humanoidnog robota (primjerice, znanstvenik maše rukama, a robot oponaša njegove geste). Za potpunu učinkovitost robota, posebne naočale omogućuju znanstveniku da gleda ono što robot vidi kroz svoje kamere, a haptički prsluk (od grčke riječi haptesthai, što znači dodirnuti) i rukavice mogu pružiti taktilne doživljaje tijelu operatera.

Veza čovjek – robot

U MIT-ovom laboratoriju biomimetičke robotike nastoji se što više stopiti ljude i strojeve (biomimetička tehnologija omogućuje strojevima oponašanje živih bića). Znanstvenici tog laboratorija smatraju da će ta suradnja ubrzati razvoj praktičnih robota za pomoć u katastrofama. Uz podršku Agencije za napredne obrambene istraživačke projekte (DARPA), MIT-ov laboratorij za biomimetičku robotiku razvija telerobotski sustav koji ima dva dijela: humanoida sposobnog za brzo, dinamično ponašanje, i novu vrstu dvosmjernog sučelja između čovjeka i stroja koji ljudske prijedloge šalje robotu i pokreće robota prema svojim namjerama.

Dakle, ako robot stane na krhotine i počne gubiti ravnotežu, operator osjeća istu nestabilnost i instinktivno reagira kako robot ne bi pao. Tada računalo snima tu fizičku reakciju čovjeka i vraća je robotu, što njemu pomaže da ne padne. Kroz ovu vezu čovjek – robot, robot može u djeliću sekunde iskoristiti ljudske urođene motoričke sposobnosti i reflekse kako bi se održao u željenom položaju. Pojednostavljeno se može reći da se stroju pridružuje ljudski mozak. Razvoj robota za krizne situacije ide u smjeru potpune autonomije robota, pri čemu se znanstvenici nadaju da ćemo jednog dana moći poslati robota u goruću zgradu kako bi sami tražili žrtve, ili poslati robota u oštećeno industrijsko postrojenje kako bi pronašao ventil koji treba isključiti. Kretanje ovim kaotičnim okruženjima zahtijeva visok stupanj prilagodljivosti, koji aktualni algoritmi umjetne inteligencije još ne mogu postići. Znanstvenici s MIT-a to pojednostavljuju na sljedeći način: primjerice, ako se autonomni robot susreće s kvakom vrata, ali u bazi podataka koju koristi ne može pronaći slučaj koji se podudara s otvaranjem vrata pomoću kvake, misija ne uspijeva.

Ako se robot zaglavi i ne zna kako se osloboditi, misija ne uspijeva. Ljudi se, s druge strane, lako mogu nositi s takvim situacijama: ljudi se prilagođavaju situacijama u hodu, i to radimo svakodnevno. Možemo prepoznati varijacije u oblicima predmeta, nositi se s lošom vidljivošću, pa čak i smisliti kako koristiti novi alat na licu mjesta. Isto vrijedi i za naše motoričke sposobnosti. Razmislite o trčanju s teškim ruksakom. Možete trčati sporije ili ne toliko daleko kao što biste trčali bez ruksaka, ali još uvijek možete izvršiti zadatak. Naša se tijela iznenađujućom lakoćom prilagođavaju novoj dinamici.

Teleoperacijski sustav koji ovi znanstvenici razvijaju nije zamišljen da zamijeni autonomne kontrolere koje roboti imaju u nogama, a koji im služe za uravnoteženje i obavljanje drugih zadataka, te još uvijek konstruiraju svoje robote tako da im dodjeljuju maksimalnu autonomiju. Spajanjem robota s čovjekom znanstvenicima omogućuje korištenje najboljeg od oba svijeta: izdržljivost i snagu robota, uz ljudsku svestranost i percepciju. Ovaj je MIT-ov laboratorij dugo istraživao kako biološki sustavi mogu potaknuti dizajn boljih strojeva. Posebno ograničenje postojećih robota njihova je nesposobnost da izvedu ono što nazivamo manipulacijom snagom – naporni pothvati poput udaranja komadića betona s puta ili guranja sjekire u vrata. Većina je robota dizajnirana za osjetljivije i preciznije pokrete i nježni kontakt.

Kako radi humanoid HERMES

HERMES je humanoidni robot za visokoučinkovite i zahtjevne manipulacije, koji nije autonoman u odlučivanju. Robot je relativno lagan – težak 45 kilograma – a istodobno jak i robustan. Tijelo mu je otprilike 90 posto veličine prosječnog čovjeka, dovoljno veliko da bi moglo prirodno manevrirati u ljudskim sredinama. Umjesto korištenja uobičajenih istosmjernih motora, HERMES pokreće prilagođen pogon za napajanje, oslonjen na platformu Cheetah (za 3D kretanje na nesigurnim terenima) koja ga čini sposobnim za eksplozivne pokrete, poput sprintanja i skakanja.

Zanimljiv mehanizam je zglob ramena/kuka. To je kvazisferični 3DoF dizajn (oko tri osi) s udaljenim središtem rotacije. Laički pojašnjeno, starteri uključuju motore bez četkica spojene s planetarnim mjenjačem (tako se naziva jer se njegova tri planetarna zupčanika okreću oko “Sunčevog” zupčanika) i mogu stvoriti ogromnu količinu okretnog momenta za svoju težinu. Ramena i bokovi robota aktiviraju se izravno, a koljena i laktovi pogonjeni su metalnim šipkama spojenim na pokretače. To čini HERMES-a manje čvrstim od ostalih humanoida, sposobnih apsorbirati mehaničke udare, a da se njihovi zupčanici ne razbiju na komade. João Ramos ovako opisuje prve pokušaje: “Kad smo prvi put uključili HERMES-a, bilo je to samo par nogu. Robot nije mogao ni samostalno stajati, pa smo ga suspendirali iz pojasa. Kao jednostavan test, programirali smo lijevu nogu da trči. Zgrabili smo prvo što smo zatekli da leži u laboratoriju – plastičnu kantu za otpad – i postavili smo je ispred robota. Bilo je zadovoljavajuće vidjeti kako HERMES baca kantu za otpad po sobi”.

Sučelje čovjek – stroj, koje je osmišljeno za kontrolu HERMES-a razlikuje se od konvencionalnog u tome što se oslanja na reflektore operatora za poboljšanje stabilnosti robota. Naziva se sučelje za povratnu informaciju ravnoteže ili BFI (Balance Feedback Interface). Početni koncept imao je neke sličnosti s odjećom za virtualnu stvarnost cijelog tijela iz filma Stevena Spielberga iz 2018. “Ready Player One”. Međutim, taj dizajn nikad nije zaživio u laboratoriju MIT-a. Znanstvenici s MIT-a zaključili su da fizičko praćenje i pomicanje tijela osobe s više od 200 kostiju i 600 mišića nije jednostavan zadatak pa su se odlučili za jednostavniji sustav.

Za rad s HERMES-om, operator stoji na kvadratnoj platformi, površine 90 x 90 centimetara. Znanstvenici mjere opterećenje snage na površini platforme, tako da znaju gdje noge pritišću podlogu. Niz linkova pričvršćuje se na udove i struk operatera (u osnovi centar ljudskog tijela) koji prenose precizno mjerenje pomaka unutar manje od jednog centimetra tijela, uz korištenje rotirajućih senzora. No neke od veza nisu samo za osjetljivost: u sebi imaju i motore koji primjenjuju sile i momente na trup operatera. Ako se osoba dovoljno jako pričvrsti za BFI, te veze mogu utjecati do 80 N (sila) na tijelo.

Znanstvenici su za kontrolu HERMES-a i BFI-a instalirali dva odvojena računala. Svako računalo ima svoju upravljačku petlju, ali dvije strane neprestano razmjenjuju podatke. Na početku svake petlje HERMES prikuplja podatke o svom držanju i uspoređuje ih s podacima primljenim od BFI-a o držanju operatera. Na temelju načina kako se podaci razlikuju, robot prilagođava svoje pogone, a zatim nove podatke o položaju odmah šalje BFI-u. BFI tada izvodi sličnu upravljačku petlju za podešavanje položaja operatera. Taj se postupak ponavlja 1.000 puta u sekundi.

Kako bi omogućili HERMES-u i BFI-u da rade tako brzo, morali su sažeti podatke koje dijele. Primjerice, umjesto da šalje detaljan prikaz držanja operatera, BFI šalje samo položaj središta mase osobe i relativni položaj svake ruke i stopala. Računalo zatim skalira ta mjerenja proporcionalno dimenzijama HERMES-a, što reproducira taj referentni položaj. Kao i u bilo kojoj drugoj dvosmjernoj petlji za teleoperaciju, ta veza može izazvati oscilacije ili nestabilnost. Znanstvenici su ovu pojavu ublažili preciznim podešavanjem parametara skaliranja koji preslikavaju položaje čovjeka i robota.

Testiranje humanoida HERMES-a

Kako bi testirali BFI, jedan od znanstvenika (João Ramos) dobrovoljno se javio za operatora. Uostalom, ako dizajnirate temeljne dijelove sustava, vjerojatno ste najbolje osposobljeni za uklanjanje pogrešaka.

U jednom od prvih eksperimenata testirali su algoritam ranog balansiranja za HERMES-a kako bi vidjeli kako će se ponašati čovjek i robot kad su povezani zajedno. Tijekom testiranja, jedan od istraživača upotrijebio je gumicu za brisanje olovke kako bi pogodio HERMES-a u gornji dio tijela. Svakim udarcem, BFI je sličnim trzajem potaknuo Ramosa, koji je refleksno pomicao tijelo kako bi vratio ravnotežu, uzrokujući da se i robot vrati u ravnotežu. Do tog trenutka HERMES je bio samo par nogu i torzo, ali na kraju je upotpunjen ostatak njegova tijela. Znanstvenici su mu dodali ruke koje koriste iste pogone kao i noge, izrađene od 3D otisnutih dijelova ojačanih ugljičnim vlaknima. U glavi je stereo kamera za streaming videa koji se prenosi u slušalice koje nosi operator.

U drugom krugu eksperimenata, HERMES je uspio probiti suhozid, zabijati sjekiru u vrata i, uz nadzor lokalne vatrogasne postrojbe, ugasiti kontrolnu paljbu pomoću uređaja za gašenje požara. Roboti za pomoć pri katastrofama zahtijevat će više sposobnosti od grube sile, pa su HERMES i Ramos također obavljali zadatke koji zahtijevaju više spretnosti, poput izlijevanja vode iz vrča u čašu.

Dok je operater simulirao izvršavanje zadataka i dok je bio vezan za BFI, znanstvenici su opazili koliko dobro robot zrcali te radnje. Također su proučili scenarije u kojima bi reakcije operatera mogle najviše pomoći robotu. Primjerice, kada je HERMES probio suhozid, torzo mu se odbio unatrag. Gotovo odmah, odgovarajuća sila gurnula je operatera, koji se refleksno nagnuo naprijed, pomažući HERMES-u da prilagodi svoje držanje.

Znanstvenici su imali mnoštvo ideja za testiranje, ali shvatili su kako je HERMES prevelik i previše snažan za mnoge od njih. Iako robot ljudskih mjerila omogućuje obavljanje realističnih zadataka, istodobno zahtijeva mnogo sigurnosnih mjera opreza, posebno dok drži sjekiru u svojim rukama. Zbog toga su znanstvenici HERMES-u stvorili nekoliko manje braće i sestara.

Mali HERMES

Little HERMES umanjena je verzija HERMES-a. Poput svog velikog brata, koristi prilagođene aktuatore visokog momenta, koji su montirani bliže tijelu, a ne na nogama. Takva instalacija omogućuje da se noge brže okreću. Za kompaktniji dizajn, robotskim jezikom opisano, znanstvenici su smanjili broj osi kretanja malog robota (ili stupnjeva slobode), sa šest na tri po udubini, a originalne noge s dva prsta zamijenili su jednostavnim gumenim kuglicama, od kojih svaka ima u sebi troosni senzor sile.

Spajanje BFI-a na mali HERMES zahtijevalo je prilagodbu. Postoji velika razlika u skali između ljudske odrasle osobe i ovog manjeg robota, i kada su znanstvenici pokušali izravno povezati njihove pokrete – preslikavajući položaj ljudskih koljena i koljena robota, kao i ostalih dijelova, došlo je do trzajnih kretnji malog robota. Znanstvenicima je trebao drugačiji matematički model da bi posredovali između dva sustava. Izradili su model s parametrima staze, poput snaga za dodir s tlom i središta mase operatera. Model bilježi svojevrsne “obrise” namjera operatora, koji je mali HERMES u stanju izvršiti.

U jednom od prvih eksperimenata s malim HERMES-om testirao se njegov hod, najprije polagan, a zatim sve brži. Mali HERMES hodao je onako kako je hodao znanstvenik s kojim je bio povezan preko BFI-a. Znanstvenici su izjavili kako su bili nevjerojatno sretni kada su vidjeli da mali HERMES maršira jednako kao znanstvenik. Kad je operator skočio, i mali HERMES je skočio. Kad je naišao na prepreku pod svojim stopalima, poput komada drveta, kontroler robota (koji se nalazi u nozi robota) mogao je spriječiti njegov pad.

Pa ipak, većina svega još uvijek je bila preliminarna faza razvoja malog robota, a mali HERMES još uvijek nije slobodno stajao niti mogao hodati. Potporni stup pričvršćen na leđa sprečavao ga je da se nagne naprijed. Mali HERMES je još uvijek u fazi razvoja.

Je li na pomolu rođenje Transformera?

Ispred tima biomimetičkih znanstvenika s MIT-a velik je niz izazova. Jedan od njih je mentalni umor koji čovjek doživi nakon što koristi BFI tijekom dužeg razdoblja ili za zadatke koji zahtijevaju veliku koncentraciju. Eksperimenti koje su provodili sugeriraju da se ljudski mozak brzo umara kada mora upravljati, ne samo vlastitim tijelom, već i strojem. Učinak je posebno izražen kod preciznih manipulacijskih zadataka, poput izlijevanja vode u šalicu. Nakon što je ponovio eksperiment tri puta zaredom, operator je morao napraviti pauzu. Oko ovog pitanja znanstvenici vide rješenje u podjeli odgovornosti za stabilizaciju robota između čovjeka i stroja.

Ako HERMES obavlja zadatak koji zahtijeva svjesnije napore od operatera, operater također ne mora održavati robota uravnoteženim; autonomni kontroler može preuzeti ravnotežu robota. Jedan od načina za prepoznavanje takvih scenarija je praćenje pogleda operatera. Fiksni pogled ukazuje na mentalno iscrpljujući zadatak, a u takvim slučajevima treba pokrenuti autonomni način uravnoteženja.

Sljedeća je prepreka HERMES-u, ili bilo kojem teleoperacijskom sustavu, u kašnjenja u prijenosu. Zamislite da daljinski upravljate robotom i postoji zastoj od 1 sekunde između vaših naredbi i odgovora robota. I dalje ga možete teleoperativno upravljati, ali ako kašnjenje poraste, možda ćete se početi osjećati dezorijentirani i ne možete izvoditi manipulacije. Ovdje se, ne samo tim znanstvenika s MIT-a, oslanja na uvođenje novih bežičnih tehnologije poput 5G, koje nude i malo kašnjenje i visoke brzine prijenosa. Uostalom, domaći je Ericsson Nikola Tesla već 2017. na MIPRO-u demonstrirao koliko je 5G ključan za projekte koji robotima omogućuje komunikaciju s oblakom. Smanjenje kašnjenja u prijenosu ključno je za stabilnost robota.

Konačno, João Ramos, Albert Wang i Sangbae Kim žele razviti i neke nove strukture robota. Iako su HERMES i Little HERMES roboti s dvije noge, znanstvenici smatraju kako nema pravog razloga zbog čega bi spasilački robot trebao biti dvopedni. Dapače, smatraju kako bi idealni roboti za krizne situacije trebali hodati na četiri noge kako bi prelazili nepristupačan i težak teren, a zatim se uspravili na zadnje noge kako bi obavljali manipulacijske zadatke, kao što to čine neke vrste primata.

Dugoročna vizija ovih znanstvenika je spajanje nogu robota koje su razvili u svom laboratoriju: Cheetah i HERMES. Rezultat bi bio četveronožni (kvadroped) robot koji se brzo kreće i koji bi mogao autonomno naletjeti na mjesto katastrofe, a zatim se pretvoriti u dvonožnog robota koji bi posuđivao ​​vještine i reflekse iskusnog čovjeka s kojim je povezan.

Motivacija znanstvenika zasnovana je na želji da pomognu radnicima u kriznim situacijama da svoj posao obavljaju bolje i sigurnije.

Možemo dodati – da što manje ljudi stradava žrtvujući se za druge.

NAPOMENA: Ovaj tekst je izvorno objavljen u časopisu Mreža.