در دنیای رباتیک، تقلید از طبیعت همواره راهی متداول برای دستیابی به حرکات پیچیده و کارآمد بوده است. رباتهای انساننما از اندامهای ما، رباتهای چهارپا از سگها و اسبها، و رباتهای کوچک از حشرات الهام گرفتهاند. با این حال، پژوهشگران دانشگاه دوک با معرفی رباتی به نام «آرگوس» (Argus)، رویکردی رادیکال و نوآورانه را در پیش گرفتهاند. آرگوس، با ظاهری شبیه به یک توپی خاردار و بدون صورت مشخص، با 20 پای تلسکوپی مجهز به دوربین، نه مانند انسان راه میرود و نه مانند سگ میدود؛ بلکه میغلتد و در جهات مختلف حرکت میکند. نام «آرگوس» از شخصیت اساطیری یونان باستان با چشمان فراوان گرفته شده است، نامی که به خوبی نمایانگر قابلیت دید وسیع این ربات با دوربینهای عمقسنجی در هر پا است که نمایی تقریباً 360 درجه از محیط اطراف را فراهم میکند. این ویژگی، آرگوس را قادر میسازد تا در محیطهای ناهموار مانند چمن، شن، زمین مرطوب و پوشش گیاهی متراکم، بدون نگرانی از جهتگیری خود، حرکت کند.
نکته خارقالعاده در مورد آرگوس، نه ظاهر عجیب آن، بلکه بیتوجهی آن به جهتگیری است. محققان دانشگاه دوک در مطالعه اخیر خود استدلال میکنند که رباتها برای چابکی نیازی به تقلید از انسانها، سگها یا حشرات ندارند. آنها طرحی کاملاً متفاوت با بدنهای متمرکز بر نحوه یکنواخت فشردن، شتابگیری و بازیابی در تمام جهات را پیشنهاد میدهند. «جیاکسون لیو»، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه رباتیک عمومی دوک و نویسنده همکار این مطالعه، معتقد است: «تماشای حرکت آرگوس با هر ربات دیگری که تاکنون کار کردهایم، متفاوت است. اولین بار که دیدیم چگونه در میان درختان و زمینهای ناهموار حرکت میکند، حتی تحت برخوردهای شدید، فهمیدیم که این چیزی متفاوت است.»
نوآوری در طراحی رباتیک: مفهوم «ایزوتروپی دینامیکی»
علم رباتیک همواره از زیستشناسی برای یافتن راههای حرکت الهام گرفته است. اما این رویکرد، با وجود تولید ماشینهای چشمگیر، دارای یک سوگیری ذاتی است؛ طراحان اغلب با پرسیدن اینکه ربات باید از کدام حیوان تقلید کند، کار خود را آغاز میکنند. تیم دوک اما پرسشی متفاوت را مطرح کرد: «اگر بهترین ساختار بدنی، ساختاری باشد که بتواند به طور مساوی در همه جهات عمل کند چه؟» این ایده، «ایزوتروپی دینامیکی» نامیده میشود. به زبان ساده، این معیار، توانایی ربات در شتاب دادن به مرکز جرم خود در هر جهت را به طور مساوی اندازهگیری میکند. طبق گفته محققان، بسیاری از رباتهای شناخته شده، از جمله رباتهای چهارپای پیشرفته، رباتهای انساننما و پهپادهای متعارف، امتیازی کمتر از ۰.۶ در این مقیاس کسب میکنند. در مقابل، آرگوس به امتیاز ۰.۹۱ دست یافته است.
طرحهای مشابه آرگوس، مانند طرحهایی با تا ۴۰ پا، میتوانند امتیاز بالاتری در ایزوتروپی دینامیکی کسب کنند، اما این طرحها به دلیل پیچیدگی مضاعف و افزایش ریسک خرابی، برای نمونه اولیه کمتر عملی هستند. «بویان چن»، مدیر آزمایشگاه رباتیک عمومی دوک و نویسنده همکار مطالعه، توضیح میدهد: «وقتی یک ربات میتواند به طور مساوی در هر جهت شتاب بگیرد، دیگر نیازی به روبروی جهان در جهت خاصی ندارد. جلو و عقب یکسان میشوند، چپ و راست یکسان میشوند. کل مسئله کنترل ربات تغییر ماهیت میدهد.»
طراحی منحصر به فرد آرگوس و عملکرد میدانی
برای یافتن این شکل ایدهآل، تیم تحقیقاتی بیش از ۱۵۰۰ طرح ربات شبیهسازی شده را آزمایش کرد. نمونه اولیه فیزیکی منتخب، شامل 20 پای خطی یکسان با قابلیت کشش و جمعشوندگی است که به دور یک قاب مرکزی بر اساس شکل دوازدهوجهی منتظم (یک جسم هندسی با ۱۲ وجه) قرار گرفتهاند. هر پا مانند خار خارپشتی، از مرکز به بیرون تابیده شده است. این طراحی، آرگوس را قادر میسازد تا بدون نیاز به چرخش، در جهات مختلف حرکت کند.
در آزمایشها، آرگوس با موفقیت بر روی سطوح مختلف از جمله بتن، چمن، خاک، پوشش گیاهی انبوه، شن نرم و سطوح مرطوب لغزنده غلتید. این ربات قادر بود موانعی تا ارتفاع تقریبی ۱۵ سانتیمتر را پشت سر بگذارد. حتی با از کار افتادن یک، دو یا سه پا، به حرکت خود ادامه داد. همچنین، توانست یک محموله ۱۰ پوندی را که در یک سمت بدنه آن نصب شده بود، حمل کند و تقریباً تمام سرعت برنامهریزی شده خود را حفظ نماید.
هنگامی که آرگوس هل داده شد، صرفاً واژگون نشد؛ بلکه برای حفظ تعادل، پاهای سمت مخالف را گسترش داد. در آزمونهای بالا رفتن از دیوار در شرایط گرانش شبیه به ماه، ربات از برخی پاها برای فشار دادن به دیوارهای موازی و از پاهای دیگر برای حرکت رو به بالا استفاده کرد.
همین طراحی به آرگوس در «دیدن» محیط نیز کمک کرد. ۲۰ دوربین عمقسنجی نصب شده بر روی پاها، تصویری سهبعدی از محیط ترسیم میکنند، صرفنظر از اینکه ربات در چه جهتی چرخش یافته است. این قابلیت به آرگوس اجازه داد تا یک مکعب یک متری را هنگام حرکت ردیابی و هل دهد؛ نوعی دستکاری کل بدن که برای رباتی با جلوی ثابت، بسیار دشوار خواهد بود.
چالشها و چشمانداز آینده
با وجود این دستاوردها، آرگوس هنوز برای گشتزنی در مناطق فاجعهزده یا اکتشاف ماه آماده نیست. در آزمایشهای واقعی ردیابی و هل دادن اشیاء، نرخ موفقیت آن در مقایسه با شبیهسازیها به شدت کاهش یافت، که عمدتاً به دلیل گرم شدن بیش از حد دوربینهای زمان پرواز (time-of-flight) و عدم همگامسازی آنها در طول آزمایشهای مکرر بود. تعداد بیشتر پاها به معنای عملگرهای بیشتر، وزن بیشتر، الزامات کنترلی پیچیدهتر و قطعات بیشتری است که مستعد خرابی هستند.
محققان این بدهبستانها را تصدیق میکنند. هدف آنها این نیست که هر ربات آیندهای باید شبیه آرگوس باشد، بلکه نشان دادن این است که طراحی رباتیک میتواند از یک معیار جدید بهرهمند شود. در همین حال، آنها باید شکاف بین عملکرد پیشبینی شده از شبیهسازیها و خروجی دنیای واقعی را پر کنند.
«آرگوس یک اثبات مفهوم است»، به گفته «بوکسی شیا»، پژوهشگر فوق دکترا در دوک و نویسنده همکار دیگر. «این نشان میدهد که طراحی برای تقارن دینامیکی صرفاً یک کنجکاوی نظری نیست؛ بلکه رباتی تولید میکند که میتوان آن را در محیطهای واقعی، زمینهای ناهموار و شرایط نامساعد، حتی در محیطهای با گرانش کم، به کار گرفت. این، امکانات را تغییر میدهد.»
همانطور که رباتها از آزمایشگاههای تمیز و کف کارخانهها به جنگلها، ساختمانهای فروریخته، معادن، مزارع و زمینهای فرازمینی منتقل میشوند، طرحهای نوآورانهای مانند آرگوس اهمیت بیشتری پیدا میکنند. در این مکانها، ممکن است یک ماشین فرصتی برای ایستادن، چرخیدن یا انتخاب بهترین جهت نداشته باشد؛ بلکه تنها باید عمل کند.
آرگوس این ایده را مطرح میکند که آینده رباتیک شاید نه شبیه انسان، بلکه عجیبتر، کرویتر و کمتر مبتنی بر تقلید زیستی و بیشتر بر پایههای ریاضیات و فیزیک محض بنا شود. این ربات به طور رسمی در مجله Science Robotics شرح داده شده است.
