Mini Cheetahは「ネコの能力」を、ニッケル硬貨入りのブーツで高める
四足歩行ロボットがますます多くの動的なタスクを学ぶにつれ、彼らは地面に足をついていない時間を多く過ごすことになりそうです。転倒は必ずしも避けられないわけではありませんが（もちろん、脚で立つロボットである以上、転倒は避けられないことも多いですが）、いずれにせよ空中にいる状態は避けられません。飛行中で最も危険なのは高所からの落下で、非常に高価なロボットや搭載しているペイロードを壊してしまうほぼ確実な原因になります。
転倒の問題はロボットだけのものではないため、自然界の四足動物がすでにその解決策を見つけていたのも不思議ではありません。少なくとも猫は、落下の衝撃を減らすために確実に足から着地することができ、それはすでに解決済みといえます。四足歩行ロボットにこのトリックを教えるため、ノートルダム大学のロボット研究者たちは、訓練し、コインがぎっしり詰まったブーツを使って、Mini Cheetahに空中での自己回復のいくつかのスキルを習得させました。
Mini Cheetahの脚（多くのロボットの脚と同様）は、素早く動く必要があるため、特に軽量に設計されています。そのためには、一歩ごとに前後に動く質量を最小限にする必要があります。これによりロボットは最も効率的になります。しかし、空中で向きを変えるためには、逆に可能な限り大きな質量を振り回す必要があります。
Mini Cheetahの各脚には、3Dプリンターで出力したブーツが取り付けられ、アメリカの5セント硬貨（ニッケル製）を二本のロールに詰めたものが収められています。これにより各足に約500g加わり、ロボットが必要な動きをするのに十分な重さになります。ニッケルのブーツが重要な理由は、落下時にMini Cheetahが向きを変える唯一の方法が脚を振ることだからです。脚が一方向に動くと胴体は反対方向に動き、脚が重いほど胴体に与える力も大きくなります。
他のロボット工学と同様に、機器に思い通りの動きをさせることは全体の半分にすぎません。時には、半分よりはるかに少ないこともあります。Mini Cheetahの問題は、正しく実行する方法を理解するための時間が非常に、非常に少ないことでした。ロボットは落下を検知し、自分がどの向きかを把握し、どのように着地するかの計画を立て、その計画を確実に実行しなければなりません。ロボットが急速に落下し始めると、これらすべてを考える時間はありません。そのため研究者が考案した手法は「反射的」アプローチと呼ばれています。
「軌道最適化アルゴリズムは進歩していますが、ロボットが落下を検知してから回復動作を開始するまでの一瞬の間に、ゼロから解を見つけるにはまだ十分に速くありません。私たちはこの問題を、シミュレーション内でロボットを何度も落下させることで回避しました。シミュレーションでは解を見つけるのにどれだけ時間をかけてもかまいません。そして、軌道最適化器を模倣するようにニューラルネットワークを訓練しました。訓練されたニューラルネットワークは、初期の姿勢を、ロボットが足で着地する軌道にマッピングします。ニューラルネットワークは、ロボットが落下を検知したときに実行できる自動的な応答を基本的に学習しているため、これを「反射的」アプローチと呼んでいます」
この手法はかなりうまく機能しますが、いくつかの制約があります。四足歩行ロボットを四足動物と比べなければ、それらのほとんどはそれほど悪くは見えなかったでしょう。猫は自分の行動において非常に有能で、どんな初期姿勢からでも素早く身をひるがえし、有利な着地姿勢をとる能力を、ロボットで再現するのは非常に困難です。
「ロボット工学に携わるほど、自然の驚くべき力を実感します。このプロジェクトはその好例です。猫は肩の高さから落下したときに180度回転することができます。私たちのロボットは、地上約3mの高さから90度回転させようとした際、トルクの限界に直面しました。完全な3次元運動を使うことは大きな改善になるでしょう（横方向の回転は、その方向ではロボットの慣性モーメントが小さいため、より簡単なはずです）。ただし、それだけで猫並みの性能に到達できたら驚きです。」
2Dから3Dに移行する際に科学者が直面する最大の問題は、自己衝突です。ロボットが衝突しないようにするのは簡単に思えますが、衝突そのものがかなり厄介な制約を生み、軌道最適化アルゴリズムで高品質な解を数値的に見つけることを困難にします。
四足歩行ロボット向けの柔軟な駆動脊椎もあり、多くの利点がありますが、それ自体が非常に複雑です。カーツによると、落下する猫の問題では、柔軟な脊椎は自然に柔軟な質量分布をもたらすことと、猫の「曲げてひねる」動きを直接模倣できるためコントローラーの設計にも役立つ可能性があります。同様に、柔軟な脊椎は宇宙でのジャンプの問題のように、飛行段階が長いタスクにも役立つかもしれません。
「とはいえ、空中での向き直しはほとんどの四足歩行ロボットの主要な課題ではなく、歩行や走行、不整地の登攀において柔軟な脊椎が大きな助けになるとは私には明らかではありません。さらに、Mini Cheetahのような既存の硬い背骨のハードウェアプラットフォームは十分に能力があり、これらのロボットの可能性はまだ出し尽くしていないと思います。制御アルゴリズムは今日の脚式ロボットの主要な制約であり、柔軟な脊椎を加えるとさらに複雑な制御の問題を招く可能性が高いでしょう」
