CARL-Bot leert surfen op onderwater vortex ringen voor efficiënte voortstuwing

Onderzoekers van Caltech geleid door John Dabiri (PhD '05), Centennial Professor of Aeronautics and Mechanical Engineering, hebben de natuurlijke capaciteit van kwalpen benut om de oceaan te doorslaan en te ontmeten, ze uitgerust met elektronica en prothetische "hoedjes" waarmee de wezens kleine payloads op hun zeereizen kunnen dragen en hun bevindingen terug naar het oppervlak rapporteren. Deze bionische kwalpen moeten te maken hebben met de eb en vloed van de stromen die ze tegenkomen, maar de hersenloze wezens nemen geen beslissingen over hoe ze het best een bestemming kunnen navigeren, en eenmaal uitgezet, kunnen ze niet op afstand worden gecontroleerd.

"We weten dat geaugmenteerde kwalpen geweldige oceaanverkenners kunnen zijn, maar ze hebben geen hersenen," aldus Dabiri. "Dus één van de dingen waar we aan werken is het ontwikkelen van hoe die hersenen eruit zouden zien als we deze systemen de capaciteit zouden geven om beslissingen onder water te nemen."

Vereenvoudigde besluitvorming voor vortex-rijden

Nu hebben Dabiri en zijn voormalige graduate student Peter Gunnarson (PhD '24), nu bij Brown University, een manier gevonden om dat besluitvormingsproces te vereenvoudigen en een robot, of potentiëel een geaugmenteerde kwal, een rit te laten maken op de turbulente vortexen die door oceaanstromen worden gecreëerd, in plaats van ertegen te vechten. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen recent in het journal PNAS Nexus.

CARL-Bot en versnellingssensor

Voor dit werk keerde Gunnarson terug naar een oude vriend in de lab: CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson bouwde de CARL-Bot jaren geleden als onderdeel van zijn werk om kunstmatige intelligentie in zo'n bot's navigatietechniek te incorporeren. Maar Gunnarson ontdekte recent een eenvoudigere manier dan AI om zo'n systeem beslissingen onder water te laten nemen.

"We brainstormden manieren waarop onderwatervoertuigen turbulente waterstromen voor voortstuwing kunnen gebruiken en vroegen ons of, in plaats van een probleem, ze een voordeel zouden kunnen zijn voor deze kleinere voertuigen," aldus Gunnarson.

Gunnarson wilde precies begrijpen hoe een stroom een robot omduwt. Hij bevestigde een drijver aan de muur van een 16-voet lange tank in Dabiri's lab in de Guggenheim Aeronautical Laboratory op Caltech's campus om herhaaldelijk zogenaamde vortex ringen te genereren — eigenlijk de onderwaterequivalenten van rookringen. Vortex ringen zijn een goede representatie van de typen verstoringen die een onderwaterverkener in de chaotische vloeistofstroom van de oceaan zou tegenkomen.

Gunnarson begon de enkele onboard versnellingssensor van de CARL-Bot te gebruiken om te meten hoe het zich bewoog en werd omgeduwd door vortex ringen. Hij merkte dat de robot ab en toe in een vortex ring geraakte en heel de tank door werd geduwd. Hij en zijn collega's begonnen zich af te vragen of het effect intentioneel gedaan kon worden.

Eenvoudige commando's voor vortex detectie en actie

Om dit te verkennen, ontwikkelde het team eenvoudige commando's om CARL te helpen een vortex ring's relatieve locatie te detecteren en zich vervolgens te positioneren om, in Gunnarson's woorden, "op te hoppen en gratis een rit te maken over de tank." Alternatief kan de bot besluiten uit de weg te gaan van een vortex ring die het niet wil worden omgeduwd.

Exclusief Tech Briefs interview met Gunnarson

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging die je tegenkwam terwijl je de CARL-Bot leerde zich te positioneren?

Gunnarson: Het lastige aan dit soort probleem is dat het zowel sensing als besluitvorming betreft. Dus, om voor deze robot te kunnen profiteren van de stromen die we in de tank produceren, moet het zowel weten dat de stromen er zijn en dan ook beslissen wat te doen wanneer het ze kan voelen. Dus, ik gok dat het lastigste deel was uitzoeken welke signalen de robot kon voelen en wat het dan kon doen in reactie op die specifieke signalen. Het was een beetje gelukkig dat ik toevallig ontdekte dat je in een bepaalde richting kunt zwemmen als je een bepaald signaal voelt, en dat laat de robot toe om te profiteren van stromen om het herum voor voortstuwing.

Tech Briefs: Kun je in simpele termen uitleggen hoe het vortex ringen detecteert en ook hoe het besluit of het vasthoudt?

Gunnarson: Allereerst, ik zal zeggen de vortex ring is een experimentele analog van veel van de turbulente die je in de oceaan en in de atmosfeer kunt vinden. Het is een heel herhaalbare versie die we in de lab kunnen gebruiken. Het is basically zoals een rookring; wat het doet is de accelerometer onboard de robot gebruiken, dus de robot kan voelen dat het omheen geduwd wordt in een klein cirkeltje door deze verticale structuur die voorbijkomt. Stel je je voor, er is een tornado die voorbijgaat, je ziet dingen worden opgepikt en omheen gedraaid. Het is een soortgelijk idee. Dus, zodra het herkent dat het omheen gedraaid wordt of omheen geduwd wordt door deze vortex ring, geeft dat genoeg informatie om te weten, okay, de vortex ring is in deze richting.

Dus, als de robot een rit wil vangen omdat het in de juiste richting ging, kan het beslissen 'Laten we zwemmen naar deze tornado van vloeistof.' Maar evenzo, als deze structuur de verkeerde kant op ging, kan de robot beslissen, 'Oh, ik wil in de tegenovergestelde richting zwemmen om niet in de war te geraken.' Het is deze soort besluitvorming die je in een toekomstig voertuig zou stoppen dat hopelijk besluit om mee te rijden met stromen of ze te vermijden afhankelijk van waar je het wilt laten gaan.

Tech Briefs: Is er iets anders dat je wilt toevoegen wat ik niet aanraakte?

Gunnarson: Het is een opwindend onderzoeksgebied omdat ingenieurs typisch kijken naar traditionele voertuigen zoals airliners en opgewonden zijn over een 1 procent verbetering in die efficiëntie. Maar, als we praten over deze kleinere autonome voertuigen, kunnen de potentiële winsten die je kunt krijgen door intelligenter te interacteren met stromen en windvlagen enorm zijn. Dus, ik denk, het is een nieuw onderzoeksgebied dat soort van aangewakkerd wordt door deze kleine autonoom systemen die ik denk dat in de toekomst echt grote winsten zullen hebben.

Transcript

Geen transcript beschikbaar voor deze video.