Necrobótica: arañas muertas reencarnadas como pinzas robóticas

Con financiamiento directo más premios en metálico que llegaron a millones, DARPA alentó las colaboraciones internacionales entre las principales instituciones académicas y la industria. Una serie de tres eventos preliminares del circuito daría experiencia a los equipos en cada entorno.

Durante el evento Tunnel Circuit, que tuvo lugar en agosto de 2019 en la mina de carbón experimental del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional, en las afueras de Pittsburgh, muchos equipos perdieron la comunicación con sus robots después de la primera curva del túnel. Seis meses después, en el evento Urban Circuit, que se llevó a cabo en una central nuclear sin terminar en Satsop, Washington, los equipos reforzaron sus comunicaciones con todo, desde un sencillo cable Ethernet conectado hasta nodos de red en malla alimentados por batería que los robots dejarían caer como migas de pan a medida que avanzan. siguieron adelante, idealmente justo antes de pasar fuera del rango de comunicación. El Circuito de Cuevas, programado para el otoño de 2020, fue cancelado debido al COVID-19.

Cuando los equipos llegaron al Evento Final de SubT en la Mega Caverna de Louisville, la atención se centró en la autonomía en lugar de las comunicaciones. Al igual que en los eventos preliminares, no se permitía la presencia de humanos en el recorrido y solo una persona de cada equipo podía interactuar de forma remota con los robots del equipo, por lo que el control remoto directo no era práctico. Estaba claro que los equipos de robots capaces de tomar sus propias decisiones sobre dónde ir y cómo llegar serían la única forma viable de atravesar el curso rápidamente.

DARPA se superó a sí misma para el evento final, construyendo un enorme recorrido de un kilómetro de largo dentro de las cavernas existentes. Los contenedores de envío conectados de extremo a extremo formaron redes complejas, y muchos de ellos fueron cuidadosamente esculpidos y decorados para parecerse a túneles mineros y cuevas naturales. Oficinas, depósitos e incluso una estación de metro, todo construido desde cero, componían el segmento urbano del campo. Los equipos tuvieron una hora para encontrar la mayor cantidad posible de los 40 artefactos. Para anotar un punto, el robot tendría que informar la ubicación del artefacto a la estación base en la entrada del campo, lo que sería un desafío en los confines del campo donde la comunicación directa era imposible.

Ocho equipos compitieron en la final de SubT, y la mayoría trajo una combinación cuidadosamente seleccionada de robots diseñados para trabajar juntos. Los vehículos con ruedas ofrecían la movilidad más confiable, pero los robots cuadrúpedos demostraron ser sorprendentemente capaces, especialmente en terrenos difíciles. Los drones permitieron la exploración completa de algunas de las cavernas más grandes.

Al final de la competencia final, dos equipos habían encontrado 23 artefactos cada uno: Team Cerberus, una colaboración de la Universidad de Nevada, Reno; ETH Zúrich; la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología; la Universidad de California, Berkeley; el Instituto de Robótica de Oxford; Volabilidad; y Sierra Nevada Corp.—y Team CSIRO Data61—que consta de Data61 de CSIRO; emergente; y Tecnología de Georgia. Los puntajes iguales desencadenaron una regla de desempate: ¿Qué equipo había sido el más rápido en llegar a su artefacto final? Eso le dio el primer lugar a Cerberus, que había sido solo 46 segundos más rápido que CSIRO.

A pesar de quedar en segundo lugar, los robots del Equipo CSIRO lograron la asombrosa hazaña de crear un mapa del campo que difería del mapa real de DARPA en menos del 1 por ciento, igualando efectivamente lo que un equipo de humanos expertos pasó muchos días. creando Ese es el tipo de avance tangible y fundamental que SubT pretendía inspirar, según Tim Chung, el gerente del programa DARPA que dirigió el desafío.

“Hay tantas cosas que suceden bajo tierra en las que a menudo no pensamos mucho, pero si observas la cantidad de infraestructura que hemos construido bajo tierra, es simplemente enorme”. € Chung dijo
Espectro IEEE. “Existe una gran oportunidad para poder percibir, comprender y navegar en entornos subterráneos: existen desafíos de integración de ingeniería, así como desafíos de diseño fundamentales y preguntas teóricas que aún no hemos respondido. Y esas son las preguntas que más le interesan a DARPA, porque eso es lo que cambiará la cara de la robótica en 5, 10 o 15 años, si no antes”.

Esta nube de puntos ensamblada por Team CSIRO Data61 muestra una vista robótica de casi todo el curso SubT, con cada punto en la nube que representa un punto en el espacio 3D medido por un sensor en un robot. La nube de puntos del equipo CSIRO difería del mapa oficial de DARPA en menos del 1 por ciento

DATOS CSIRO61

Espectro IEEE estuvo en Louisville para cubrir la Subterranean Final, y hablamos recientemente con Chung, así como con el líder del equipo de CSIRO Data61, Navinda Kottege, y el líder del equipo de Cerberus, Kostas Alexis, y sobre su experiencia en SubT y la influencia que el evento está teniendo en el futuro de la robótica.

DARPA tiene cientos de programas, pero la mayoría de ellos no involucran competencias internacionales de varios años con premios millonarios. ¿Qué tenía de especial el Subterranean Challenge?

Una ilustración de Tim Chung TIM CHUNG | gerente del programa DARPA MCKIBILLO

Tim Chung: De vez en cuando, uno de los conceptos de DARPA justifica un modelo diferente para buscar la innovación. Es cuando sabe que tiene un avance inminente en un campo, pero no sabe exactamente cómo ocurrirá ese avance y dónde podría el modelo tradicional del programa DARPA, con un anuncio amplio seguido de la selección de propuestas. restringir la innovación. DARPA vio el Desafío SubT como una forma de atraer a la comunidad de robótica para resolver problemas que anticipamos que tendrán un impacto, como la resiliencia, la autonomía y la detección en entornos austeros. Y un lugar donde puedes encontrar esos desafíos técnicos unidos es bajo tierra.

La habilidad que tenían estos equipos para mapear sus entornos de forma autónoma fue impresionante. ¿Puedes hablar de eso?

CT: Trajimos a un equipo de expertos con equipos topográficos profesionales que pasaron muchos días haciendo un mapa de la verdad del terreno calibrado con precisión del curso SubT. Y luego, durante la competencia, vimos a estos robots brindando una cobertura casi completa del campo en menos de una hora. ¡No podía creer lo hermosas que eran esas nubes de puntos! Creo que eso es realmente un acelerador. Cuando puede confiar en su mapa, tiene mucha más conciencia situacional procesable. No es un problema resuelto, pero cuando puede alcanzar el nivel de fidelidad que hemos visto en SubT, esa es una tecnología de puerta de enlace con el potencial de desbloquear todo tipo de innovación futura.

La autonomía era una parte necesaria de SubT, pero tener un ser humano al tanto también era fundamental. ¿Crees que los humanos seguirán siendo una parte necesaria de los equipos robóticos efectivos, o la autonomía total es el futuro?

CT: Al principio de la competencia, vimos muchos agarres de manos, con humanos dando a los robots órdenes de bajo nivel. Pero los equipos se dieron cuenta rápidamente de que necesitaban un enfoque más autónomo. Sin embargo, la autonomía total es difícil, y creo que los humanos seguirán desempeñando un papel bastante importante, solo un papel que debe evolucionar y convertirse en algo que se centre en lo que los humanos hacen mejor.

Creo que pasar de operadores humanos a supervisores humanos mejorará los tipos de misiones que los equipos de humanos y robots podrán realizar. En el evento final, vimos robots en el curso explorando y encontrando artefactos, mientras que el supervisor humano estaba concentrado en otras cosas y ni siquiera prestaba atención a los robots. Eso fue genial. Los robots estaban haciendo lo que tenían que hacer, dejando al humano libre para tomar decisiones de alto nivel. Eso es un gran cambio: de lo que era básicamente teleoperación remota a «ustedes, los robots, hagan lo suyo y yo haré lo mío». Y les corresponde a los robots volverse aún más capaces para que la transición [of the human] de operador a supervisor puede ocurrir.

Una foto de un área oscura con un robot de cuatro patas iluminando un eje de piedra.

Una foto de un cuadrúpedo moviéndose a través de un túnel subterráneo con madera en la pared.  Un cuadrúpedo ANYmal del Team Cerberus entra en el curso [top]. Durante la competencia, solo los robots y el personal de DARPA podían cruzar este umbral. Los marcadores visuales que rodean la entrada del campo proporcionaron un punto de origen preciso desde el cual los robots basarían los mapas que crearon. Esto permitió a DARPA medir la precisión de las ubicaciones de los artefactos que los equipos informaron para obtener puntos. ANYmal de Cerberus sale de la sección urbana del campo, siguiendo el modelo de una estación de metro [bottom]y entra en la sección del túnel del curso, basado en una mina abandonada.
Evan Ackermann

¿Cuáles son algunos de los desafíos restantes para los robots en entornos subterráneos?

CT: El análisis de la transitabilidad y el razonamiento sobre el entorno siguen siendo un problema. Los robots podrán moverse a través de estos entornos a un ritmo más rápido si pueden entender un poco más sobre dónde están pisando o qué están volando. Entonces, a pesar del hecho de que eran uno o dos órdenes de magnitud más rápidos que los humanos para fines de mapeo, los robots siguen siendo relativamente lentos. Eliminar otro orden de magnitud realmente ayudaría a cambiar el juego. La velocidad sería el facilitador definitivo y tendría un impacto dramático en los escenarios de primera respuesta, donde cada minuto cuenta.

¿Qué diferencia cree que SubT ha hecho, o hará, en la robótica?

CT: En mi opinión, el hecho de que muchas de las tecnologías que se utilizan en el Desafío SubT ahora se produzcan y comercialicen significa que el horizonte de tiempo para que los robots lleguen a manos de los socorristas se ha acortado considerablemente. Ya sucedió, y estaba sucediendo, incluso durante la competencia misma, y ​​eso es un gran impacto.

¿Qué es lo difícil e importante de operar robots bajo tierra?

1658948504 952 Necrobotica aranas muertas reencarnadas como pinzas roboticasNAVINDA KOTTEGE CSIRO | Líder del equipo Data61

MCKIBILLO

Navinda Kottege: El hecho de que estuviéramos en un entorno subterráneo era un aspecto del desafío, y un aspecto muy importante, pero si lo desglosas, lo que significaba el Desafío SubT era que estábamos en un entorno sin GPS, donde no puedes. dependen de las comunicaciones, con desafíos de movilidad muy difíciles. Hay muchos otros escenarios en los que podría encontrar estas cosas: el desastre nuclear de Fukushima, por ejemplo, no fue subterráneo, pero la comunicación fue un problema enorme para los robots que intentaron enviar. La selva amazónica es otro ejemplo en el que usted… encontraría dificultades similares en comunicación y movilidad. Entonces vimos cómo cada una de estas tecnologías componentes que tendríamos que desarrollar y madurar tendría aplicaciones en muchos otros dominios más allá del subterráneo.

¿Cuál es el lugar adecuado para un ser humano en un equipo humano-robot?

NK: Hay dos extremos. Una es que presionas un botón y los robots van y hacen lo suyo. El otro es lo que llamamos «humano en el circuito», donde es esencialmente control remoto a través de comandos de alto nivel. Pero si se saca al ser humano del circuito, el circuito se rompe y el sistema se detiene, y estábamos experimentando eso con comunicaciones frágiles. El término medio es un concepto de «humano en el circuito», en el que tiene un supervisor humano que establece objetivos a nivel de misión, pero si el humano se retira del circuito, el ciclo aún puede ejecutarse. El valor agregado humano porque tenían una mejor visión general de lo que estaba sucediendo en todo el escenario, y ese es el tipo de cosas en las que los humanos son súper, súper buenos.

Una foto de un robot acercándose a un par de personas y cerca de una estación de tren subterráneo

Una foto de un robot cuadrúpedo iluminando una caverna. La plataforma de la estación de metro [top] incorporó muchos desafíos para los robots. Los robots con ruedas y orugas tenían dificultades particulares con los rieles. DARPA escondió artefactos en el techo de la estación de metro (accesible solo por dron), así como debajo de una rejilla en el piso de la plataforma. Además de construir muchos túneles y estructuras personalizadas dentro de la megacaverna de Louisville, DARPA también incorporó la caverna en el campo. Esta habitación enorme
[bottom] robots recompensados ​​​​que lograron explorarlo con varios artefactos adicionales.
Evan Ackermann

¿Cómo avanzó SubT en el campo de la robótica?

NK: Para que los robots de campo tengan éxito, necesita varias cosas para trabajar juntas. Y creo que eso es lo que nos impuso el nivel de complejidad del Desafío SubT. Toda esta noción de poder implementar robots de manera confiable en escenarios del mundo real fue, para mí, la clave. Mirando retrospectivamente a nuestro equipo, hace tres años teníamos algunas partes y piezas de tecnología geniales, pero no teníamos sistemas de robot que pudieran funcionar de manera confiable durante una hora o más sin que un humano tuviera que ir a arreglar algo. Ese fue uno de los mayores avances que tuvimos, porque ahora, mientras continuamos con este trabajo, ni siquiera tenemos que pensar dos veces antes de desplegar nuestros robots y si se destruirán si los dejamos solos durante 10 minutos. Es ese nivel de madurez que hemos alcanzado, gracias a la solidez y confiabilidad que tuvimos que diseñar en nuestros sistemas para tener éxito en SubT, y ahora podemos comenzar a enfocarnos en el siguiente paso: ¿Qué puede hacer usted? cuando tienes una flota de robots autónomos en los que puedes confiar?

Su equipo de robots creó un mapa del curso que coincidía con el mapa oficial de DARPA con una precisión superior al 1 por ciento. Eso es asombroso.

NK: Me contactó inmediatamente después del evento final la compañía que DARPA contrató para hacer el mapeo de la verdad en el terreno del curso SubT. Habían gastado 100 horas-persona usando equipos muy caros para hacer su mapa, y querían saber cómo diablos obtuvimos nuestro mapa en menos de una hora con un grupo de robots. ¡Es una buena pregunta! Pero el contexto es que nuestra hora de mapeo nos tomó 15 años de desarrollo para llegar a esa etapa.

Hay una diferencia entre lo que es teóricamente posible y lo que realmente funciona en el mundo real. En sus primeras etapas, nuestro software funcionó, ya que alcanzó todos los hitos teóricos que se suponía. Pero luego comenzamos a llevarlo al mundo real y probarlo en entornos muy difíciles, y ahí es donde comenzamos a encontrar todos los casos extremos en los que se rompe. Esencialmente, durante los últimos más de 10 años, intentamos romper nuestro sistema de mapeo tanto como fuera posible, y eso lo convirtió en una solución realmente bien diseñada. Honestamente, cada vez que vemos los resultados de nuestro sistema de mapeo, ¡todavía nos sorprende!

¿Qué te hizo decidir participar en el Desafío SubT?

Una ilustración de Kostas AlexisKOSTAS ALEXIS | Líder del equipo Cerberus

MCKIBILLO

Kostas Alexis: Lo que motivó a todos fue el entendimiento de que para los robots autónomos, este desafío era extremadamente difícil y relevante. Sabíamos que los sistemas robóticos podían operar en estos entornos si los humanos los acompañaban o los teleoperaban, pero también sabíamos que estábamos muy lejos de habilitar la autonomía. Y entendimos el valor de poder enviar robots en lugar de humanos al peligro. Fue esta combinación de impacto social y desafío técnico lo que nos atrajo, especialmente en el contexto de una competencia en la que no puedes simplemente trabajar en el laboratorio, escribir un artículo y terminar el día; tenías que desarrollar algo que funcionaría hasta la final.

Una foto de un robot cuadrúpedo moviéndose a través de una caverna.

Una foto de un cuadrúpedo desplazándose por una caverna junto a un cartel que dice u201cPELIGRO, Entra bajo tu propia responsabilidad.u201dSecciones estrechas de cuevas [top] requería una navegación cuidadosa por parte de los robots terrestres. Las estalactitas y estalagmitas eran especialmente traicioneras para los drones en vuelo. A la derecha de la imagen, parcialmente oculto por una columna, hay un rollo de cuerda azul, uno de los artefactos. Un equipo Cerberus ANYmal [bottom] pasa junto a una señal de advertencia decorativa (pero no inexacta), junto a un artefacto de perforación.
Evan Ackermann

¿Cuál fue la parte más desafiante de SubT para su equipo?

CA: Estamos en la etapa en la que podemos navegar robots en entornos normales de oficina, pero SubT tuvo muchos desafíos. Primero, confiar en las comunicaciones con nuestros robots no era posible. En segundo lugar, el terreno no era fácil. Por lo general, incluso el terreno que es difícil para los robots es fácil para los humanos, pero el terreno de la cueva natural ha sido la única vez que sentí que el terreno también era un desafío para los humanos. Y en tercer lugar, está la escala de los entornos del tamaño de un kilómetro. Los robots tenían que demostrar un nivel de robustez e ingenio en su autonomía y funcionalidad que el actual estado del arte en robótica no podía demostrar. Lo mejor del Desafío SubT fue que DARPA lo inició conocimiento que la robótica no tenía esa capacidad, pero nos pidió que entregáramos un equipo competitivo de robots dentro de tres años. Y creo que ese enfoque fue bueno para todos los equipos. Fue un gran impulso que aceleró la investigación.

A medida que los robots se vuelvan más autónomos, ¿dónde encajarán los humanos?

CA: Es un hecho ahora que podemos tener muy buenos mapas de robots, y es un hecho que tenemos detección de objetos, etc. Sin embargo, no tenemos una forma de correlacionar todos los objetos del entorno y sus posibles interacciones. Entonces, aunque podemos crear mapas increíbles, hermosos y precisos, no somos igualmente buenos para razonar.

Esto es realmente sobre el tiempo. Si estuviéramos realizando una misión en la que quisiéramos garantizar la exploración y la cobertura completas de un lugar sin límite de tiempo, probablemente no necesitaríamos un ser humano en el circuito; podemos automatizar esto por completo. Pero cuando el tiempo es un factor y desea explorar todo lo que pueda, entonces la capacidad humana para razonar a través de los datos es muy valiosa. E incluso si podemos hacer robots que a veces se desempeñen tan bien como los humanos, eso no se traduce necesariamente en entornos novedosos.

El otro aspecto es social. Hacemos robots para que nos sirvan, y en todas estas operaciones críticas, como roboticista, me gustaría saber que hay un ser humano que toma las decisiones finales.

Una foto de un dron volador flotando en un área oscura.  Si bien la mayor parte del curso se diseñó para parecerse lo más posible a entornos subterráneos reales, DARPA también incluyó secciones que plantearon desafíos muy específicos para robots. Los robots tenían el potencial de desorientarse en este pasillo blanco en blanco (parte de la sección urbana del curso) si no podían identificar características únicas para diferenciar una parte del pasillo de otra.
Evan Ackermann

¿Cree que SubT pudo resolver algún desafío importante en robótica?

CA: Una cosa, de la que estoy muy orgulloso para mi equipo, es que SubT estableció que los sistemas robóticos con patas se pueden implementar en las condiciones más arbitrarias. [Team Cerberus deployed four ANYmal C quadrupedal robots from Swiss robotics company ANYbotics in the final competition.] Sabíamos antes de SubT que los robots con patas eran magníficos en el dominio de la investigación, pero ahora también sabemos que si tiene que lidiar con entornos complejos en el suelo o bajo tierra, puede combinar robots con patas con drones y debería estar listo para comenzar.

¿Cuándo veremos aplicaciones prácticas de algunos de los desarrollos realizados a través de SubT?

CA: Creo que la comercialización ocurrirá mucho más rápido a través de SubT de lo que normalmente esperaríamos de una actividad de investigación. Mi opinión es que la escala de tiempo se cuenta en términos de meses; podría ser un año más o menos, pero no se trata de varios años, y por lo general soy conservador en ese frente.

En términos de respuesta a desastres, ahora estamos hablando de responsabilidad. Estamos hablando de sistemas con prácticamente un 100 por ciento de confiabilidad. Esto es mucho más complicado, porque necesita poder demostrar, certificar y garantizar que su sistema funciona en tantos casos de uso diversos. Y la pregunta clave: ¿Puedes confiar en él? Esto tomará mucho tiempo. Con SubT, DARPA creó una visión amplia. Creo que encontraremos nuestro camino hacia esa visión, pero antes de la respuesta ante desastres, primero veremos estos robots en la industria.

Este artículo aparece en la edición impresa de mayo de 2022 como «Robots Conquer the Underground»..â€

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