CARL-Bot lernt, Unterwasser-Wirbelringe für einen effizienten Antrieb zu fahren

Andrew Corselli

Forscher haben dem CARL-Bot beigebracht, sich so zu positionieren, dass er auf Unterwasserwirbelringen mitfahren kann, anstatt gegen die Turbulenzen anzukämpfen. (Bild:Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Caltech-Wissenschaftler unter der Leitung von John Dabiri (PhD '05), dem Centennial-Professor für Luftfahrt und Maschinenbau, haben sich die natürliche Fähigkeit von Quallen zunutze gemacht, den Ozean zu durchqueren und auszuloten, indem sie sie mit Elektronik und prothetischen „Hüten“ ausgestattet haben, mit denen die Kreaturen auf ihren Seereisen kleine Nutzlasten transportieren und ihre Erkenntnisse an die Oberfläche zurückmelden können. Diese bionischen Quallen müssen mit dem Auf und Ab der Strömungen klarkommen, denen sie begegnen, aber die hirnlosen Kreaturen treffen keine Entscheidungen darüber, wie sie am besten zu einem Ziel navigieren, und wenn sie einmal eingesetzt sind, können sie nicht mehr ferngesteuert werden.

„Wir wissen, dass verstärkte Quallen großartige Meeresforscher sein können, aber sie haben kein Gehirn“, sagt Dabiri. „Eines der Dinge, an denen wir gearbeitet haben, ist die Entwicklung, wie dieses Gehirn aussehen würde, wenn wir diese Systeme mit der Fähigkeit ausstatten würden, unter Wasser Entscheidungen zu treffen.“

Jetzt haben Dabiri und sein ehemaliger Doktorand Peter Gunnarson (PhD '24), der jetzt an der Brown University ist, einen Weg gefunden, diesen Entscheidungsprozess zu vereinfachen und einem Roboter oder möglicherweise einer erweiterten Qualle zu helfen, auf den turbulenten Wirbeln der Meeresströmungen mitzufahren, anstatt gegen sie zu kämpfen. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift PNAS Nexus .

Für diese Arbeit kehrte Gunnarson zu einem alten Freund im Labor zurück:CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson baute den CARL-Bot vor Jahren als Teil seiner Arbeit, künstliche Intelligenz in die Navigationstechnik eines solchen Bots zu integrieren. Aber Gunnarson hat kürzlich einen einfacheren Weg als KI gefunden, ein solches System Entscheidungen unter Wasser treffen zu lassen.

„Wir überlegten, wie Unterwasserfahrzeuge turbulente Wasserströmungen als Antrieb nutzen könnten, und fragten uns, ob sie für diese kleineren Fahrzeuge nicht nur ein Problem, sondern einen Vorteil darstellen könnten“, sagte Gunnarson.

Gunnarson wollte genau verstehen, wie eine Strömung einen Roboter antreibt. Er befestigte ein Triebwerk an der Wand eines 16 Fuß langen Tanks in Dabiris Labor im Guggenheim Aeronautical Laboratory auf dem Caltech-Campus, um wiederholt sogenannte Wirbelringe zu erzeugen – im Grunde die Unterwasseräquivalente von Rauchringen. Wirbelringe sind eine gute Darstellung der Arten von Störungen, denen ein Unterwasserforscher in der chaotischen Flüssigkeitsströmung des Ozeans begegnen würde.

Gunnarson begann, den einzelnen integrierten Beschleunigungsmesser des CARL-Bot zu verwenden, um zu messen, wie er sich bewegte und von Wirbelringen herumgeschoben wurde. Er bemerkte, dass der Roboter hin und wieder in einen Wirbelring geriet und durch den Tank geschoben wurde. Er und seine Kollegen fragten sich, ob dieser Effekt absichtlich herbeigeführt werden könnte.

Um dies zu untersuchen, entwickelte das Team einfache Befehle, die CARL dabei helfen sollen, die relative Position eines Wirbelrings zu erkennen und sich dann so zu positionieren, dass er, um es mit Gunnarsons Worten zu sagen, „einsteigen und praktisch kostenlos eine Mitfahrgelegenheit durch den Tank nehmen kann“. Alternativ kann der Bot entscheiden, einem Wirbelring aus dem Weg zu gehen, von dem er nicht gestoßen werden möchte.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Gunnarson.

Technische Kurzinformationen :Was war die größte technische Herausforderung für Sie, als Sie dem CARL-Bot beigebracht haben, sich selbst zu positionieren?

Gunnarson :Das Schwierige an dieser Art von Problem ist, dass es sowohl um Wahrnehmung als auch um Entscheidungsfindung geht. Damit dieser Roboter die Strömungen, die wir im Tank erzeugen, nutzen kann, muss er wissen, dass die Strömungen vorhanden sind, und dann auch entscheiden, was zu tun ist, wenn er sie wahrnehmen kann. Ich schätze, der schwierigste Teil bestand darin, herauszufinden, welche Art von Signalen der Roboter wahrnehmen konnte und was er dann als Reaktion auf diese spezifischen Signale tun konnte. Es war ein bisschen Glück, dass ich zufällig herausgefunden habe, dass man in eine bestimmte Richtung schwimmen kann, wenn man ein bestimmtes Signal wahrnimmt, und dass der Roboter dadurch die Strömungen um ihn herum für seinen Antrieb nutzen kann.

Technische Kurzinformationen :Können Sie bitte in einfachen Worten erklären, wie es Wirbelringe erkennt und auch entscheidet, ob es festhält oder nicht?

Gunnarson :Zunächst möchte ich sagen, dass der Wirbelring ein experimentelles Analogon vieler Turbulenzen ist, die man im Ozean und in der Atmosphäre finden kann. Es handelt sich um eine sehr wiederholbare Version, die wir im Labor verwenden können. Es ist im Grunde wie ein Rauchring; Es nutzt den Beschleunigungsmesser an Bord des Roboters, sodass der Roboter spüren kann, dass er von dieser vorbeikommenden vertikalen Struktur fast in einem kleinen Kreis herumgeschoben wird. Wenn Sie sich also vorstellen, dass ein Tornado vorbeizieht, sehen Sie, wie Dinge von ihm erfasst und herumgewirbelt werden. Es ist eine ähnliche Idee. Sobald es also erkennt, dass es von diesem Wirbelring herumgedreht oder herumgeschoben wird, liefert das genügend Informationen, um zu wissen:Okay, der Wirbelring befindet sich in dieser Richtung.

Wenn der Roboter also mitfahren möchte, weil er in die richtige Richtung fährt, könnte er entscheiden:„Lasst uns auf diesen Wirbelsturm aus Flüssigkeit zuschwimmen.“ Aber auch wenn diese Struktur in die falsche Richtung geht, könnte der Roboter entscheiden:„Oh, ich möchte in die entgegengesetzte Richtung schwimmen, um nicht darin gefangen zu werden.“ Diese Art von Entscheidungsfindung würden Sie in ein zukünftiges Fahrzeug einbauen, das hoffentlich entscheiden würde, mit Strömungen zu fahren oder ihnen auszuweichen, je nachdem, wohin es gehen soll.

Technische Kurzinformationen :Gibt es noch etwas, das Sie hinzufügen möchten, das ich nicht angesprochen habe?

Gunnarson :Es ist ein spannendes Forschungsgebiet, denn Ingenieure betrachten normalerweise traditionelle Fahrzeuge wie Verkehrsflugzeuge und freuen sich über eine Verbesserung dieser Effizienz um etwa 1 Prozent. Aber wenn wir über diese kleineren autonomen Fahrzeuge sprechen, können die potenziellen Vorteile, die Sie durch eine intelligentere Interaktion mit Strömungen und Böen erzielen können, enorm sein. Ich denke also, dass es sich um ein neues Forschungsgebiet handelt, das durch diese kleinen autonomen Systeme, die meiner Meinung nach in der Zukunft wirklich große Fortschritte erzielen werden, irgendwie vorangetrieben wird.

Transkript

Für dieses Video ist kein Transkript verfügbar.