Om du skulle be någon att namnge en ny teknik som dök upp från MIT på 2000-talet, det finns en god chans att de skulle namnge robotgeparden. Utvecklad av MIT Department of Mechanical Engineerings Biomimetic Robotics Lab under ledning av docent Sangbae Kim, den fyrbenta MIT Cheetah har skapat rubriker för sin dynamiska bengång, fart, hoppförmåga, och biomimetisk design.

Cheetah II i hundstorlek kan springa på fyra ledade ben i upp till 6,4 meter per sekund, gör milda löpsvängar, och hoppa till en höjd av 60 centimeter. Roboten kan också självständigt bestämma hur den ska undvika eller hoppa över hinder.

Kim utvecklar nu en tredje generationens robot, Cheetah III. Istället för att förbättra Cheetahs hastighet och hoppförmåga, Kim konverterar geparden till en kommersiellt gångbar robot med förbättringar som en större nyttolastförmåga, bredare rörelseomfång, och en fingerfärdig gripfunktion. Cheetah III kommer inledningsvis att fungera som en spektral inspektionsrobot i farliga miljöer som ett utsatt kärnkraftverk eller kemisk fabrik. Det kommer sedan att utvecklas för att tillgodose andra nödsituationsbehov.

"Cheetah II var fokuserad på höghastighetsrörelse och smidig hoppning, men var inte utformad för att utföra andra uppgifter, " säger Kim. "Med Cheetah III, vi ställer många praktiska krav på designen så att den kan vara en allroundspelare. Den kan göra höghastighetsrörelser och kraftfulla åtgärder, men det kan också vara väldigt exakt."

Biomimetic Robotics Lab håller också på att färdigställa en mindre, avskalad version av Cheetah, kallas Mini Cheetah, designad för forskning och utbildning inom robotik. Andra projekt inkluderar en teleopererad humanoid robot som kallas Hermes som ger haptisk feedback till mänskliga operatörer. Det finns också en undersökning i ett tidigt skede av att tillämpa Cheetah-liknande ställdonteknologi för att hantera mobilitetsutmaningar bland funktionshindrade och äldre.

Erövrar rörligheten på marken

"Med Cheetah-projektet, Jag motiverades från början av att kopiera landdjur, men jag insåg också att det fanns en lucka i markrörlighet, " säger Kim. "Vi har erövrat luft- och vattentransporter, men vi har inte erövrat markrörlighet eftersom vår teknik fortfarande är beroende av konstgjorda asfalterade vägar eller räls. Ingen av våra transporttekniker kan på ett tillförlitligt sätt resa över naturlig mark eller ens konstgjorda miljöer med trappor och trottoarkanter. Robotar med dynamiska ben kan hjälpa oss att erövra rörlighet på marken."

En utmaning med bensystem är att de "behöver ställdon med högt vridmoment, " säger Kim. "En mänsklig höftled kan generera mer vridmoment än en sportbil, men det är en stor utmaning att uppnå en sådan kondenserad aktivering med högt vridmoment i robotar."

Robotar tenderar att uppnå högt vridmoment på bekostnad av hastighet och flexibilitet, säger Kim. Fabriksrobotar använder ställdon med högt vridmoment, men de är styva och kan inte absorbera energi vid stöten som uppstår från klättrande steg. Hydrauliskt driven, robotar med dynamiska ben, som den större, högre nyttolast, fyrdubblad Big Dog från Boston Dynamics, kan uppnå mycket hög kraft och kraft, men på bekostnad av effektiviteten. "Effektivitet är ett allvarligt problem med hydraulik, speciellt när du rör dig snabbt, " han lägger till.

Ett huvudmål med Cheetah-projektet har varit att skapa ställdon som kan generera högt vridmoment i konstruktioner som imiterar djurmuskler samtidigt som de uppnår effektivitet. För att åstadkomma detta, Kim valde elektriska snarare än hydrauliska ställdon. "Våra elektriska motorer med högt vridmoment har överträffat effektiviteten hos djur med biologiska muskler, och är mycket effektivare, billigare, och snabbare än hydrauliska robotar, " han säger.

Cheetah III:Mer än en speedster

Till skillnad från de tidigare versionerna, Cheetah III-designen motiverades mer av potentiella tillämpningar än ren forskning. Kim och hans team studerade kraven för en räddningsrobot och arbetade baklänges.

"Vi tror att Cheetah III kommer att kunna navigera i ett kraftverk med strålning om två eller tre år, " säger Kim. "Om fem till tio år borde den kunna utföra mer fysiskt arbete som att demontera ett kraftverk genom att skära bitar och ta ut dem. Om 15 till 20 år, den ska kunna ta sig in i en byggnadsbrand och eventuellt rädda ett liv."

I situationer som kärnkraftskatastrofen i Fukushima, robotar eller drönare är det enda säkra valet för spaning. Drönare har vissa fördelar jämfört med robotar, men de kan inte utöva stora krafter som krävs för uppgifter som att öppna dörrar, och det finns många katastrofsituationer där nedfallna skräp förbjuder flygning med drönare.

Som jämförelse, Cheetah III kan applicera krafter på mänsklig nivå på miljön i timmar i taget. Den kan ofta klättra eller hoppa över skräp, eller till och med flytta den ur vägen. Jämfört med en drönare, det är också lättare för en robot att noggrant inspektera instrumentering, vippomkopplare, och tryckknappar, säger Kim. "Geparden III kan mäta temperaturer eller kemiska föreningar, eller stäng och öppna ventiler."

Fördelarna jämfört med bandrobotar inkluderar förmågan att manövrera över skräp och klättra i trappor. "Trappor är några av de största hindren för robotar, " säger Kim. "Vi tror att robotar med ben är bättre i konstgjorda miljöer, speciellt i katastrofsituationer där det finns ännu fler hinder."

Cheetah III saktades ner lite jämfört med Cheetah II, men också ges större styrka och flexibilitet. "Vi ökade vridmomentet så att det kan öppna de tunga dörrarna som finns i kraftverk, " säger Kim. "Vi ökade rörelseomfånget till 12 frihetsgrader genom att använda 12 elmotorer som kan leda kroppen och lemmarna."

Detta är fortfarande långt ifrån djurens flexibilitet, som har över 600 muskler. Än, Cheetah III kan kompensera något med andra tekniker. "Vi maximerar varje leds arbetsyta för att uppnå en rimlig mängd nåbarhet, säger Kim.

Designen kan till och med använda benen för manipulation. "Genom att använda lemmarnas flexibilitet, Cheetah III kan öppna dörren med ett ben, " säger Kim. "Den kan stå på tre ben och utrusta den fjärde delen med en anpassad växlingsbar hand för att öppna dörren eller stänga en ventil."

Cheetah III har en förbättrad nyttolastkapacitet för att bära tyngre sensorer och kameror, och möjligen till och med att lämna in förnödenheter till funktionshindrade offer. Dock, det är långt ifrån att kunna rädda dem. Cheetah III är fortfarande begränsad till en 20-kilos nyttolast, och kan resa obundet i fyra till fem timmar med minimal nyttolast.

"Så småningom, vi hoppas kunna utveckla en maskin som kan rädda en person, " säger Kim. "Vi är inte säkra på om roboten skulle bära offret eller ta med en bäranordning, " säger han. "Vår nuvarande design kan åtminstone se om det finns några offer eller om det finns fler potentiella farliga händelser."

Experimenterar med människa-robotinteraktion

Den semiautonoma Cheetah III kan fatta ambulerande och navigationsbeslut på egen hand. Dock, för katastrofarbete, den kommer i första hand att fungera med fjärrkontroll.

"Helt autonom inspektion, speciellt vid katastrofinsatser, skulle vara väldigt svårt, " säger Kim. Bland annat självständigt beslutsfattande tar ofta tid, och kan involvera försök och misstag, vilket kan försena svaret.

"Folk kommer att kontrollera Cheetah III på en hög nivå, erbjuda hjälp, men inte hantera varje detalj, " säger Kim. "Folk skulle kunna säga åt den att gå till en specifik plats på kartan, hitta denna plats, och öppna den dörren. När det kommer till handarbete eller manipulation, människan kommer att ta över mer kontroll och tala om för roboten vilket verktyg den ska använda."

Människor kanske också kan hjälpa till med mer instinktiva kontroller. Till exempel, om geparden använder ett av sina ben som en arm och sedan använder kraft, det är svårt att hålla balansen. Kim undersöker nu om mänskliga operatörer kan använda "balanserad feedback" för att förhindra att geparden ramlar omkull samtidigt som den applicerar full kraft.

"Till och med stå på två eller tre ben, den skulle fortfarande kunna utföra högkraftsåtgärder som kräver komplex balansering, " säger Kim. "Den mänskliga operatören kan känna balansen, och hjälpa roboten att ändra sitt momentum för att generera mer kraft för att öppna eller hamra en dörr."

Biomimetic Robotics Lab utforskar balanserad feedback med ett annat robotprojekt som heter Hermes (Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System). Som Cheetah III, det är en helt artikulerad, dynamisk benrobot designad för katastrofhantering. Än, Hermes är tvåfotad, och helt teleopererad av en människa som bär en telenärvarohjälm och en helkroppsdräkt. Som Hermes, dräkten är riggad med sensorer och haptiska återkopplingsanordningar.

"Föraren kan känna av balanssituationen och reagera genom att använda kroppsvikt eller direkt implementera fler krafter, säger Kim.

Den latens som krävs för sådan intim realtidsfeedback är svår att uppnå med Wi-Fi, även när det inte är blockerat av väggar, distans, eller trådlös störning. "I de flesta katastrofsituationer, du skulle behöva någon form av trådbunden kommunikation, säger Kim. Så småningom, Jag tror att vi kommer att använda förstärkta optiska fibrer."

Förbättra rörligheten för äldre

Ser man bortom katastrofinsatser, Kim föreställer sig en viktig roll för agile, dynamiska benrobotar inom hälso- och sjukvården:förbättrad rörlighet för den snabbt växande äldre befolkningen. Många robotprojekt riktar sig till äldremarknaden med chattiga sociala robotar. Kim föreställer sig något mer fundamentalt.

"Vi har fortfarande ingen teknik som kan hjälpa funktionshindrade eller äldre människor att sömlöst flytta från sängen till rullstolen till bilen och tillbaka igen, " säger Kim. "Många äldre har problem med att ta sig ur sängen och gå i trappor. Vissa äldre med knäledsproblem, till exempel, är fortfarande ganska rörliga på plan mark, men kan inte klättra ner för trappan utan hjälp. Det är en mycket liten del av dagen när de behöver hjälp. Så vi letar efter något som är lätt och lätt att använda för korttidshjälp."

Kim arbetar för närvarande med att "skapa en teknik som kan göra ställdonet säkert, " säger han. "De elektriska ställdonen vi använder i Cheetah är redan säkrare än andra maskiner eftersom de lätt kan absorbera energi. De flesta robotar är stela, vilket skulle orsaka en hel del slagkrafter. Våra maskiner ger lite."

Genom att kombinera sådan säker ställdonteknologi med en del av Hermes-teknologin, Kim hoppas kunna utveckla en robot som kan hjälpa äldre människor i framtiden. "Robotar kan inte bara ta itu med den förväntade bristen på arbetskraft för äldreomsorgen, men också behovet av att upprätthålla integritet och värdighet, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.