روبوت ANYmal يُظهر قدرة خارقة على التنقل في التضاريس الوعرة
يعتمد الروبوتات، مثل البشر، عادةً على وسيلتين حسيتين مختلفتين عند التفاعل مع العالم. هناك الإدراك الخارجي (أو الاستقبال الخارجي)، الذي يأتي من أنظمة استشعار خارجية مثل الليدار والكاميرات والأعين المجردة.
وهناك أيضًا الإدراك الداخلي (أو الاستقبال الذاتي)، أي الإحساس الباطني الذي يشمل أشياء مثل اللمس وإحساس القوة. وعادةً ما نستخدم نحن البشر كلتا الوسيلتين الحسيتين في الوقت نفسه للتنقل، حيث يساعد الإدراك الخارجي على التخطيط المسبق، بينما يتفعّل الإدراك الداخلي عند ظهور الصعوبات.
تستخدم الإدراك الداخلي، على سبيل المثال، في الظلام، حيث لا تزال الحركة ممكنة تمامًا، لكنك تتحرك ببطء وحذر، معتمدًا على التوازن واللمس.
بالنسبة للروبوتات، فإن الإدراك الخارجي هو ما يمكّنها من تنفيذ كل الأشياء الرائعة: فمع إدراك خارجي جيد حقًا ووقت (وحوسبة) كافٍ للتخطيط لحركات مذهلة، يمكن للروبوتات أن تتحرك بديناميكية وسرعة.
مع ذلك، فإن الروبوتات ذات الأرجل تكون أقل كفاءة بكثير في الظلام، أو في أي ظروف تكون فيها بيانات الإدراك الخارجي الضرورية لها إما غير متاحة (لأن المستشعر لا يعمل لسبب ما)، أو تعمل بشكل ضعيف بسبب عوامل غير ملائمة للروبوت، مثل الأسطح العاكسة أو الغطاء النباتي الكثيف أو غيرها. وهذه مشكلة، لأن العالم الحقيقي مليء بعوامل غير ملائمة للروبوتات.
نشر مختبر الأنظمة الروبوتية في ETH Zürich دراسة في مجلة Science Robotics تعرض نظام تحكم يتيح للروبوت تقييم مدى موثوقية المعلومات الخارجية التي يحصل عليها. فعندما تكون البيانات جيدة، يخطط الروبوت مسبقًا ويتحرك بسرعة.
لكن عندما تبدو مجموعة البيانات ناقصة أو مشوشة أو مضللة، ينتقل المتحكم بسلاسة إلى التنقل المعتمد على الإدراك الداخلي. وهذا يعني أن الروبوت يواصل الحركة، ربما ببطء وحذر أكبر، لكنه يستمر في التحرك، وفي النهاية يصل إلى نقطة يستطيع فيها الاعتماد مجددًا على الإدراك الخارجي.
هذه التقنية يستخدمها البشر والحيوانات، والآن يمكن للروبوتات استخدامها أيضًا، إذ تجمع بين السرعة والكفاءة والسلامة والموثوقية، لمواجهة أي تضاريس صعبة تقريبًا.
حصل الجميع على معاينة مثيرة لهذه التقنية خلال البطولة النهائية لتحدي DARPA SubT في الخريف الماضي، عندما تمكنت روبوتات Team Cerberus ANYmal ذات الأرجل من تحقيق الفوز. الأداء في الفيديو أدناه مثير للإعجاب، خاصة أن ANYmal تمكّن من إنهاء صعود التل أسرع بأربع دقائق من الوقت الموصى به للشخص المتوسط.
تُظهر المقاطع التي يسير فيها روبوت ANYmal عبر الغطاء النباتي الكثيف والثلوج العميقة بوضوح مدى جودة عمل النظام. ففي حين تُظهر بيانات الإدراك الخارجي عوائق في كل مكان وارتفاعًا غير دقيق للأرض، يعرف الروبوت أين تقع أقدامه، ويعتمد على هذه البيانات الداخلية ليتقدم بأمان دون أن يسقط.
تستخدم روبوتات أخرى ذات أرجل الإدراك الداخلي للتنقل بموثوقية، لكن ما يميز هذا النظام هو الدمج السلس بين السرعة والموثوقية، إذ ينتقل المتحكم بين الإدراك الخارجي والإدراك الداخلي حسب درجة ثقته بما يراه. وتُعد نتائج ANYmal في هذه الرحلة، وكذلك خلال نهائي SubT، دليلًا مقنعًا على مدى فعالية هذا النهج.
للحصول على مزيد من التفاصيل، تحدثت مجلة IEEE Spectrum مع مؤلف الدراسة تاكاهيرو ميكي، طالب دكتوراه في مختبر الأنظمة الروبوتية في ETH Zürich.
«تحقيق مستوى من القدرة على الحركة يشبه الحيوانات هو على الأرجح هدف كثير منا نحن الباحثين في هذا المجال. لكن الروبوتات ما زالت متأخرة كثيرًا عن الطبيعة، وهذه الورقة ليست سوى خطوة صغيرة نحو ذلك. <…> نسعى إلى إرسال الروبوتات إلى أماكن خطيرة جدًا أو يصعب الوصول إليها بالنسبة للبشر. وفي هذا العمل نقصد بعبارة «القاسية» الأماكن التي تكون صعبة علينا نحن، وليس على الروبوتات فقط. على سبيل المثال، المسارات الجبلية الشديدة الانحدار أو المسارات المغطاة بالثلوج التي يصعب اجتيازها. مع نهجنا، تمكن الروبوت من اجتياز أسطح صخرية شديدة الانحدار ورطبة، وغطاء نباتي كثيف، أو تضاريس في أنفاق تحت الأرض وكهوف طبيعية ذات حصى متحرك، وبسرعة تعادل سرعة الإنسان»
ويقول إن حدس المشغل البشري الذي يختار المسار المحتمل للروبوت ساهم بالتأكيد في نجاحه. ورغم أن الروبوت متين، فإنه لا يستطيع تجاوز العوائق المستحيلة فيزيائيًا، مثل العوائق الأكبر حجمًا من الروبوت نفسه أو الصخور.
أما في سيناريوهات أخرى، مثل تحدي DARPA SubT، فيتم التحكم في الروبوت بواسطة خوارزمية عالية المستوى للاستكشاف وتخطيط المسار. ويعرف هذا المخطط إمكانيات متحكم الحركة، ويستخدم تلميحات هندسية للتحكم في الروبوت بأمان. ويُعد تحقيق ذلك في رحلة مستقلة عبر التضاريس الجبلية، حيث يلزم فهم دلالي أعمق للبيئة، عملًا مستقبليًا للعلماء.
كان درج الثلج أول تجربة أجراها العلماء في الهواء الطلق باستخدام المتحكم الحالي، وقد فوجئ ميكي بقدرة الروبوت على التعامل مع درج مغطى بالثلج الزلق. كما كانت التضاريس خلال الرحلة شديدة الانحدار ومعقدة. وعندما فحص طالب الدكتوراه المنطقة للمرة الأولى، ظن أنها قد تكون صعبة جدًا على الروبوت، لكنه تمكن من اجتياز جميع العوائق.
«نعتقد أن الروبوت يحدد ما إذا كانت بيانات الإدراك الخارجي تتوافق مع الإدراك الداخلي، من خلال تلامس الأقدام أو وضعيتها. فإذا كانت الخريطة صحيحة، تلامس الأقدام الأرض في المواضع التي تشير إليها الخريطة. عندها يقرّ المتحكم بصحة الإدراك الخارجي ويستخدمه. أما إذا شعر بأن تلامس القدم لا يتطابق مع الأرض الموجودة في الخريطة، أو أن القدمين تنخفضان أسفل الخريطة، فإنه يقرّ بعدم موثوقية الإدراك الخارجي، ويعتمد بدرجة أكبر على الإدراك الداخلي. وقد أثبتنا ذلك في تجربة فيديو إضافية»
حتى الآن، تحكم العلماء بالروبوت يدويًا في معظم التجارب (باستثناء تحدي DARPA SubT). والهدف التالي هو إضافة مستويات أكبر من الاستقلالية. ويرغب ميكي في أن يقوم الروبوت برحلة معقدة دون تدخل بشري.
إضافة إلى ذلك، هناك إمكانيات كبيرة لتحسين قدرة الروبوت على الحركة. وبالنسبة إلى التضاريس «الأكثر قسوة»، يريد الباحثون أن يدرك الروبوت العالم ثلاثي الأبعاد وأن يُظهر سلوكًا أكثر تنوعًا، مثل القفز فوق الدرجات أو الزحف تحت العوائق المتدلية، وهو أمر غير ممكن مع خريطة الارتفاعات الحالية ثنائية ونصف الأبعاد 2.5D.
