CARL-Bot leert onderwater Vortex-ringen te berijden voor efficiënte voortstuwing

Andrew Corselli

Onderzoekers hebben de CARL-Bot geleerd zichzelf zo te positioneren dat hij een ritje kan maken op onderwatervortexringen in plaats van de turbulentie te bestrijden. (Afbeelding:Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Caltech-wetenschappers onder leiding van John Dabiri (PhD '05), de honderdjarige hoogleraar luchtvaart en werktuigbouwkunde, hebben geprofiteerd van het natuurlijke vermogen van kwallen om de oceaan te doorkruisen en te peilen, door ze uit te rusten met elektronica en prothetische 'hoeden' waarmee de wezens kleine ladingen kunnen dragen op hun nautische reizen en hun bevindingen aan de oppervlakte kunnen rapporteren. Deze bionische kwallen moeten kampen met de eb en vloed van de stromingen die ze tegenkomen, maar de hersenloze wezens nemen geen beslissingen over hoe ze het beste naar een bestemming kunnen navigeren, en als ze eenmaal zijn ingezet, kunnen ze niet meer op afstand worden bestuurd.

"We weten dat augmented kwallen geweldige oceaanonderzoekers kunnen zijn, maar ze hebben geen hersenen", zegt Dabiri. "Dus een van de dingen waar we aan hebben gewerkt is het ontwikkelen van hoe dat brein eruit zou zien als we deze systemen het vermogen zouden geven om onder water beslissingen te nemen."

Nu hebben Dabiri en zijn voormalig afgestudeerde student Peter Gunnarson (PhD '24), die nu aan de Brown University studeert, een manier bedacht om dat besluitvormingsproces te vereenvoudigen en een robot, of mogelijk een verbeterde kwal, te helpen een ritje te maken op de turbulente draaikolken die door oceaanstromingen worden gecreëerd in plaats van ertegen te vechten. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen onlangs in het tijdschrift PNAS Nexus .

Voor dit werk keerde Gunnarson terug naar een oude vriend in het laboratorium:CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson bouwde de CARL-Bot jaren geleden als onderdeel van zijn werk om kunstmatige intelligentie te integreren in de navigatietechniek van zo'n bot. Maar Gunnarson heeft onlangs een eenvoudiger manier dan AI ontdekt om zo'n systeem onder water beslissingen te laten nemen.

"We waren aan het brainstormen over manieren waarop onderwatervoertuigen turbulente waterstromen kunnen gebruiken voor voortstuwing en vroegen ons af of deze, in plaats van dat ze een probleem vormen, een voordeel zouden kunnen zijn voor deze kleinere voertuigen", aldus Gunnarson.

Gunnarson wilde precies begrijpen hoe een stroom een robot rondduwt. Hij bevestigde een boegschroef aan de wand van een 5 meter lange tank in Dabiri's laboratorium in het Guggenheim Aeronautical Laboratory op de campus van Caltech om herhaaldelijk zogenaamde vortexringen te genereren - in feite de onderwaterequivalenten van rookringen. Vortexringen zijn een goede weergave van de soorten verstoringen die een onderwateronderzoeker tegenkomt in de chaotische vloeistofstroom van de oceaan.

Gunnarson begon de enkele ingebouwde versnellingsmeter van de CARL-Bot te gebruiken om te meten hoe deze bewoog en werd rondgeduwd door vortexringen. Hij merkte dat de robot af en toe verstrikt raakte in een vortexring en door de tank werd geduwd. Hij en zijn collega's begonnen zich af te vragen of het effect opzettelijk kon worden bereikt.

Om dit te onderzoeken ontwikkelde het team eenvoudige commando's om CARL te helpen de relatieve locatie van een vortexring te detecteren en zichzelf vervolgens te positioneren om, in de woorden van Gunnarson, "in te stappen en vrijwel gratis een ritje door de tank te maken." Als alternatief kan de bot besluiten om uit de weg te gaan van een vortexring, hij wil er niet door geduwd worden.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Gunnarson.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg toen u de CARL-Bot leerde zichzelf te positioneren?

Gunnarson :Het lastige van dit soort problemen is dat het zowel gevoel als besluitvorming met zich meebrengt. Om ervoor te zorgen dat deze robot kan profiteren van de stromen die we in de tank produceren, moet hij weten dat de stromen er zijn en dan ook beslissen wat hij moet doen als hij deze kan waarnemen. Het lastigste deel was dus uitzoeken wat voor soort signalen de robot kon waarnemen en wat hij vervolgens kon doen als reactie op die specifieke signalen. Het was een beetje geluk dat ik erachter kwam dat je in een bepaalde richting kunt zwemmen als je een bepaald signaal waarneemt, en daardoor kan de robot profiteren van de stroming eromheen voor voortstuwing.

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe het vortexringen detecteert en hoe het beslist of het wel of niet vasthoudt?

Gunnarson :Allereerst zal ik zeggen dat de vortexring een experimenteel analoog is van veel van de turbulentie die je in de oceaan en in de atmosfeer kunt tegenkomen. Het is een zeer herhaalbare versie die we in het laboratorium kunnen gebruiken. Het is eigenlijk als een rookring; wat hij doet is de versnellingsmeter aan boord van de robot gebruiken, zodat de robot kan voelen dat hij bijna in een kleine cirkel rond wordt geduwd door deze verticale structuur die voorbij komt. Dus als je je voorstelt dat er een tornado voorbijkomt, zie je dat er dingen door worden opgepikt en rondgedraaid. Het is een soortgelijk idee als dat. Dus zodra hij herkent dat hij wordt rondgedraaid of geduwd door deze vortexring, levert dat genoeg informatie op om te weten:oké, de vortexring is in deze richting.

Dus als de robot een ritje wil maken omdat hij de goede kant op gaat, kan hij besluiten:‘Laten we naar deze tornado van vloeistof zwemmen.’ Maar als dit bouwwerk de verkeerde kant op gaat, kan de robot ook besluiten:‘O, ik wil in de tegenovergestelde richting zwemmen om er niet in verstrikt te raken.’ Het is dit soort besluitvorming dat je in een toekomstig voertuig zou stoppen dat hopelijk zou beslissen om met de stroming mee te rijden of ze te vermijden, afhankelijk van waar je heen wilt.

Technische slips :Is er nog iets dat je wilt toevoegen dat ik niet heb genoemd?

Gunnarson :Het is een opwindend onderzoeksgebied, omdat ingenieurs doorgaans naar traditionele voertuigen zoals vliegtuigen kijken en enthousiast zijn over een verbetering van die efficiëntie met ongeveer 1 procent. Maar als we het hebben over deze kleinere autonome voertuigen, kunnen de potentiële voordelen die je kunt behalen door intelligenter met stromingen en windstoten om te gaan enorm zijn. Dus ik denk dat het een nieuw onderzoeksgebied is dat enigszins wordt gestimuleerd door deze kleine autonome systemen waarvan ik denk dat ze in de toekomst echt grote winsten zullen boeken.

Transcriptie

Er is geen transcript beschikbaar voor deze video.