ميني شيتا يطوّر «مهاراته القطية» بفضل أحذية مليئة بعملات النيكل
مع تعلّم الروبوتات رباعية الأرجل تنفيذ مهام ديناميكية أكثر فأكثر، فمن المرجح أن تقضي وقتاً طويلاً دون أن تقف على قدميها. ولا يعني ذلك بالضرورة السقوط (وإن كان حتمياً في الغالب، لأنها في النهاية روبوتات ذات أرجل)، إذ يمكن بطريقة أو بأخرى أن تكون في حالة طيران. وأخطر مراحل الطيران هي السقوط من ارتفاع كبير، لأن ذلك يكاد يكون مؤكداً أنه سيحطم الروبوت باهظ الثمن وأي حمولة مفيدة كان يحملها.
مشكلة السقوط السيئ ليست حكراً على الروبوتات، ولذلك ليس مستغرباً أن تكون الحيوانات رباعية الأرجل في الطبيعة قد حلّتها بالفعل. أو على الأقل، حلتها القطط التي تستطيع الهبوط على أقدامها بثقة لتقليل الضرر الناتج عن السقوط. ولتعليم الروبوتات رباعية الأرجل هذه الحيلة، قام باحثون في جامعة نوتردام بتدريب Mini Cheetah على بعض مهارات إعادة التوازن في الهواء باستخدام أحذية مليئة بالعملات المعدنية.
صُممت أرجل Mini Cheetah (مثل أرجل كثير من الروبوتات) لتكون خفيفة، لأنها يجب أن تتحرك بسرعة، ولذلك يلزم تقليل الكتلة التي تتحرك للأمام والخلف مع كل خطوة. وهذا يجعل الروبوت أكثر كفاءة قدر الإمكان. لكن كي يعيد الروبوت توجيه نفسه في الهواء، يجب عليه على العكس أن يحرّك أكبر كتلة ممكنة.
عُدّلت كل قدم من أقدام Mini Cheetah بحذاء مطبوع بطابعة ثلاثية الأبعاد، ومحشو بلفتين من عملات الخمسة سنتات الأمريكية (المصنوعة من النيكل)، والتي تضيف نحو 500 غرام إلى كل قدم، وهذا يكفي ليتحرك الروبوت بالشكل الذي يريده. وتكمن أهمية الأحذية المحشوة بالنيكل في أن الطريقة الوحيدة التي يستطيع بها Mini Cheetah تغيير اتجاهه أثناء السقوط هي تحريك أرجله. فعندما تتحرك أرجله في اتجاه، يتحرك الجسم في الاتجاه المعاكس، وكلما كانت الأرجل أثقل، زادت القوة التي تستطيع أن تؤثر بها على الجسم.
كما هو الحال في أي مجال آخر من الروبوتات، فإن جعل المعدات تفعل ما تريده هو نصف المهمة فقط. وأحياناً يكون ما تحقق أقل بكثير من النصف. والمشكلة مع Mini Cheetah هي أن لديه وقتاً قصيراً جداً لمعرفة كيفية أداء الأمر بشكل صحيح. فعليه أن يكتشف أنه يسقط، ويحدد وضعيته، ويضع خطة لكيفية الهبوط، ثم ينفذ هذه الخطة بنجاح. ولا يملك الروبوت الوقت الكافي للتفكير في كل ذلك عندما يبدأ بالسقوط بسرعة، ولهذا يُطلق الباحثون على الأسلوب الذي ابتكروه اسم النهج «الانعكاسي».
«ورغم أن خوارزميات تحسين المسار تزداد جودة، فإنها ما زالت غير سريعة بما يكفي لإيجاد حل من الصفر خلال أجزاء من الثانية بين لحظة اكتشاف الروبوت للسقوط ولحظة احتياجه إلى بدء حركة الاستعادة. ولتجاوز هذه المشكلة، أسقطنا الروبوت عدة مرات في محاكاة يمكننا فيها قضاء الوقت الذي نحتاجه لإيجاد الحل، ودربنا شبكة عصبونية على محاكاة أداة تحسين المسار. وتربط الشبكة العصبونية المدربة الاتجاهات الابتدائية بالمسارات التي يهبط بها الروبوت على قدميه. ونسمي هذا النهج «انعكاسياً» لأن الشبكة العصبونية تعلّمت في الأساس استجابة تلقائية يمكن تنفيذها عندما يكتشف الروبوت أنه يسقط»
يعمل هذا الأسلوب بشكل جيد إلى حد كبير، لكن توجد بعض القيود، ومعظمها لن يبدو سيئاً إلى هذا الحد لولا أن الروبوتات رباعية الأرجل تُقارن بالحيوانات رباعية الأرجل. فالقطط بارعة للغاية فيما تفعله، وسيكون من الصعب جداً على الروبوت أن يحاكي قدرتها على التحول بسرعة إلى وضعية هبوط مناسبة من أي اتجاه ابتدائي.
«كلما زاد انشغالي بالروبوتات، ازددت إدراكاً لمدى روعة الطبيعة، وهذا المشروع مثال ممتاز على ذلك. فالقطط تستطيع أن تدور دورة كاملة قدرها 180 درجة عند السقوط من ارتفاع الكتف. أما روبوتنا فواجه قيوداً في عزم الدوران عند الدوران بمقدار 90 درجة من ارتفاع نحو 3 أمتار عن الأرض. وسيكون استخدام الحركة ثلاثية الأبعاد كاملة تحسيناً كبيراً جداً (فالدوران الجانبي يجب أن يكون أسهل، لأن عزم القصور الذاتي للروبوت أقل في هذا الاتجاه)، ومع ذلك سأندهش إذا كان هذا وحده سيوصلنا إلى أداء بمستوى القطط»
أكبر تحدٍ واجهه العلماء في الانتقال من ثنائي الأبعاد إلى ثلاثي الأبعاد هو اصطدام الروبوت بنفسه. قد يبدو أن تجنب اصطدام الروبوت بنفسه أمر بسيط، لكن الاصطدامات نفسها تفرض قيوداً مزعجة إلى حد ما، تجعل من الصعب عددياً إيجاد حلول عالية الجودة لخوارزميات تحسين المسار.
توجد فقرات ظهرية مرنة مدفوعة للروبوتات رباعية الأرجل، ولها مزايا عديدة، لكنها معقدة إلى حد ما في حد ذاتها. وبحسب كورتز، ففي حالة مشكلة القط الساقط، قد يساعد العمود الفقري المرن من ناحية توزيع الكتلة المرن بشكل طبيعي، ومن ناحية تصميم وحدة التحكم، لأنه يمكن محاكاة حركة القط «الانحناء والالتواء» مباشرة. وبالمثل، قد يساعد العمود الفقري المرن في المهام التي تتضمن مراحل طيران طويلة، مثل مسائل القفز في الفضاء.
«ومع ذلك، فإن إعادة التوجيه في الهواء ليست المهمة الأساسية لمعظم الروبوتات رباعية الأرجل، وليس واضحاً لي أن العمود الفقري المرن سيساعد كثيراً في المشي أو الجري أو التسلق على التضاريس الوعرة. كما أن منصات الأجهزة الحالية ذات الظهر الصلب، مثل Mini Cheetah، قادرة تماماً، وأعتقد أننا لم نكتشف بعد كامل إمكانات هذه الروبوتات. وما زالت خوارزميات التحكم هي العامل الأكثر تقييداً للأجهزة ذات الأرجل اليوم، وإضافة عمود فقري مرن ستؤدي على الأرجح إلى مشكلات تحكم أكثر تعقيداً»
