Ползущая роборука из Цюриха научилась ходить на пальцах без остального робота

Представьте себе робота, у которого есть только рука — и больше ничего. Не манипулятор на конце металлической штанги, не привычная конечность промышленного агрегата, а совершенно самостоятельная механическая кисть, которая сама куда-то ползёт, опираясь на кончики пальцев, и теми же пальцами трогает, нажимает и толкает всё вокруг. Именно такую конструкцию собрали исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Они взяли серийную роботизированную кисть и превратили её в полностью автономного робота, поместив всю электронику прямо на неё.

Помимо очевидной ассоциации с персонажем по имени Вещь из «Семейки Аддамс» — та самая отрубленная рука, которая разгуливала сама по себе, — у разработки есть вполне земное применение. По словам учёных, такая кисть способна орудовать органами управления и перемещать предметы там, куда обычная роборука просто не дотянется. Руководил проектом Амирхоссейн Каземипур, аспирант лаборатории мягкой робототехники ETH Zurich. Он считает, что подобные устройства пригодятся при тонком ремонте на производстве или в спасательных операциях: робот сможет отсоединить кисть и отправить её в узкую щель, куда остальное тело не пролезет. В более широком смысле работа прокладывает путь к новому взгляду на робототехнику, где части тела не привязаны намертво к одной-единственной роли.

«Мне хотелось понять, насколько много может сделать роботизированная рука без остального робота, — рассказал Каземипур в интервью IEEE Spectrum. — Что если вместо традиционного взгляда на детали робота мы попробуем использовать их для задач, на которые они изначально не рассчитаны?» Попытки заставить роборуку ходить предпринимались и раньше, но обычно для этого конструировали специальные кисти. Цюрихская команда пошла другим путём: взяла готовое железо от компании Wuji Technology и добавила к нему 80-граммовый «рюкзак» с батареей, инерциальным измерительным модулем и компьютером Raspberry Pi Zero. Каземипур объясняет выбор коммерческой модели нежеланием жертвовать манипулятивными способностями. Правда, это создало серьёзную проблему: форма кисти оптимизирована для захвата, а не для ползания.

Чтобы научить руку ходить, исследователи обучили модель в симуляции методом обучения с подкреплением — когда алгоритм осваивает навык через множество проб и ошибок, получая награды за приближение к нужному поведению и штрафы за отклонения. Но необычная геометрия кисти не позволила просто скопировать подходы, применявшиеся для других шагающих роботов. Стандартные четвероногие и двуногие платформы обычно симметричны слева и справа, что упрощает ходьбу и баланс. У руки же симметрии нет вовсе: пальцы разной длины, а большой палец и вовсе противопоставлен остальным.

Помимо наград за правильную скорость и направление движения и штрафов за раскачивание и рывки, команда придумала оригинальный способ удерживать кисть в позе для ползания во время обучения. Чтобы учесть разную длину пальцев, каждому из них задали собственную целевую позицию относительно ладони — ту, которую палец естественно занимает в этой позе. Отклонение от неё штрафовалось, создавая своеобразные «виртуальные пружины», возвращающие пальцы в нужное положение. При этом штрафы за движение пальцев вперёд и назад были заметно ниже, чем за смещение в стороны, так что шаг вперёд обходился руке дёшево на фоне полученных наград.

Отдельные модели обучили для других навыков: переворачиваться, если рука упала, нажимать клавиши на клавиатуре и толкать предметы к цели. Все четыре модели помещаются на бортовой компьютер, а контроллер переключается между ними по необходимости. В реальных испытаниях кисть проползла по 14 разным поверхностям, включая гладкие полы, металлические решётки, траву и гравий. Другие эксперименты подтвердили, что она умеет поворачивать направо и налево и развивает среднюю скорость 9 сантиметров в секунду. Встать после падения ей удалось в 21 случае из 25. А получив видеопоток с камеры сверху, она самостоятельно дотолкала 41-граммовый кубик до целей на расстоянии до 40 сантиметров — и сделала это 15 раз подряд.

«Больше всего меня в этой работе впечатляет то, что одни и те же пальцы могут и двигать руку, и держать её вес, и взаимодействовать с окружением», — говорит Масахико Инами, профессор Токийского университета, чья группа тоже разрабатывает шагающие роботы в форме кисти. Он согласен, что мобильная рука пригодится для работы в стеснённых пространствах и с органами управления, до которых целой конечности не добраться, но отмечает: для практического внедрения понадобятся бортовое восприятие и более надёжная навигация. Его аспирант Хидэки Симобаяси добавляет, что ходьба создаёт совсем иные нагрузки, чем захват, так что прочность конструкции может стать вызовом.

А вот Матей Чокарли, доцент машиностроения Колумбийского университета, называет результат «крутым» и говорит, что он показывает: роботизированные руки не обязаны повторять возможности человеческих. «Можно представить себе совершенно новый класс мобильных манипуляторов, которые одновременно ловки, способны преодолевать сложный рельеф и перемещать грузы, сопоставимые по размеру с ними самими», — говорит он. Сам Каземипур видит свою работу частью долгосрочной идеи роботов, собранных из частей, не привязанных ни к одной задаче, ни даже к одному типу тела. Он называет это «автономными модульными воплощениями»: «Части робота не должны быть навсегда закреплены за одной функцией. Они могут динамически менять роли — быть компонентом системы или самостоятельным агентом — в зависимости от задачи».