הרובוט MAMA BEAR של אוניברסיטת בוסטון יוצר ובודק באופן אוטונומי מבנים סופגי אנרגיה, ומשיג לאחרונה יעילות שיא של 75%, עם יישומים החל מחומרי משלוח ועד ציוד צבאי. קרדיט: דווין האן, אוניברסיטת בוסטון הפקות
רובוט אוטונומי יצר צורה בולמת זעזועים שאף אדם לא יכול היה. למד מה המשמעות של עיצוב קסדות בטוחות יותר, אריזות, פגושים לרכב ועוד.
בתוך גבולות מעבדה במכללה להנדסה באוניברסיטת בוסטון, זרוע רובוט מפילה חפצים קטנים מפלסטיק לתוך קופסה המונחת במדויק על הרצפה כדי לתפוס אותם כשהם נופלים. בזה אחר זה, החפצים הזעירים האלה – חלקים גליליים קלים ונוצה, שגובהם לא עולה על סנטימטר – ממלאים את הקופסה. חלקם כחולים, אחרים אדומים, סגולים, ירוקים או שחורים.
כל אחד מהמבנים הללו הוא תוצאה של ניסוי באוטונומיה של רובוטים. הרובוט פועל באופן עצמאי ומסתגל באמצעות למידה מתמשכת, והוא נמצא במסע ליצירת הצורה היעילה ביותר שסופגת אנרגיה אי פעם.
תהליך החדשנות
לשם כך, הרובוט יוצר מבנה פלסטיק קטן עם מדפסת תלת מימד, מתעד את צורתו וגודלו, מעביר אותו למשטח מתכת שטוח — ואז מועך אותו בלחץ השקול לסוס ערבי בוגר העומד על רבע. לאחר מכן הרובוט מודד כמה אנרגיה ספג המבנה, כיצד השתנתה צורתו לאחר מעיכה, ומתעד כל פרט במסד נתונים עצום.
לאחר מכן, הוא מפיל את החפץ המעוך לתוך הקופסה ומנגב את לוחית המתכת נקייה, מוכן להדפיס ולבדוק את החלק הבא. הוא יהיה שונה במקצת מקודמו, העיצוב והממדים שלו הותאמו על ידי אלגוריתם המחשב של הרובוט המבוסס על כל ניסויי העבר – הבסיס למה שנקרא אופטימיזציה בייסיאנית. ניסוי אחר ניסוי, המבנים התלת-ממדיים משתפרים בלספוג את ההשפעה של ריסוק.
בתוך מעבדה במכללה להנדסה באוניברסיטת בוסטון, זרוע רובוט מפילה חפצים קטנים מפלסטיק לתוך קופסה המונחת בצורה מושלמת על הרצפה כדי לתפוס אותם כשהם נופלים. בזה אחר זה, המבנים הזעירים האלה – חלקים גליליים קלים ונוצה, שגובהם לא עולה על סנטימטר – ממלאים את הקופסה. חלקם אדומים, אחרים כחולים, סגולים, ירוקים או שחורים. כל אובייקט הוא תוצאה של ניסוי באוטונומיה של רובוטים. בכוחות עצמו, לומד תוך כדי, הרובוט מחפש ומנסה ליצור אובייקט עם הצורה היעילה ביותר שסופגת אנרגיה אי פעם. קרדיט: דווין האן, אוניברסיטת בוסטון הפקות
שיפור מתמיד ויישומים
האיטרציות הבלתי פוסקות הללו אפשריות בגלל עבודתם של קית' בראון, פרופסור חבר ENG להנדסת מכונות, והצוות שלו ב-KABlab. הרובוט, ששמו MAMA BEAR – קיצור של השם המלא הארוך שלו, Mechanics of Additively Manufactured Architectures Bayesian Experimental Autonomous Researcher – התפתח מאז שהושג לראשונה על ידי בראון ומעבדתו בשנת 2018. עד 2021, המעבדה העמידה את המכונה על המכונה שלה. חיפוש ליצור צורה שסופגת את מירב האנרגיה, תכונה המכונה יעילות קליטת האנרגיה המכנית שלה. איטרציה נוכחית זו פועלת ברציפות במשך למעלה משלוש שנים, וממלאת עשרות קופסאות עם יותר מ-25,000 מבנים מודפסים בתלת מימד.
השלכות מעשיות והישגים
למה כל כך הרבה צורות? ישנם אינספור שימושים למשהו שיכול לספוג ביעילות אנרגיה – נגיד, ריפוד עבור מוצרי אלקטרוניקה עדינים הנשלחים ברחבי העולם או עבור מגיני ברכיים ומגני שורש כף היד עבור ספורטאים. "אתה יכול לשאוב מספריית הנתונים הזו כדי ליצור פגושים טובים יותר במכונית, או ציוד אריזה, למשל", אומר בראון.
כדי לעבוד בצורה אידיאלית, המבנים צריכים להגיע לאיזון המושלם: הם לא יכולים להיות כל כך חזקים שהם גורמים נזק לכל מה שהם אמורים להגן, אבל צריכים להיות חזקים מספיק כדי לספוג את הפגיעה. לפני MAMA BEAR, המבנה הטוב ביותר שמישהו צפה אי פעם היה יעיל בספיגת אנרגיה בכ-71 אחוזים, אומר בראון. אבל אחר הצהריים קריר של ינואר בשנת 2023, המעבדה של בראון צפתה ברובוט שלהם מגיע ליעילות של 75 אחוז, ושבר את השיא הידוע. התוצאות פורסמו רק היום (21 במאי) בכתב העת תקשורת טבע.
"כשהתחלנו, לא ידענו אם תהיה הצורה שוברת השיאים הזו", אומרת קלסי סנאפ (ENG'25), סטודנטית לדוקטורט במעבדה של בראון שמפקחת על MAMA BEAR. "לאט אבל בטוח המשכנו להתקדם, ופרצנו דרך".
עיצוב שוברי שיאים וחידושים נוספים
המבנה שובר השיאים נראה כמו שום דבר שהחוקרים היו מצפים לו: יש לו ארבע נקודות, בצורת עלי כותרת של פרחים דקים, והוא גבוה וצר יותר מהעיצובים המוקדמים.
"אנחנו נרגשים שיש כאן כל כך הרבה נתונים מכניים, שאנחנו משתמשים בזה כדי ללמוד לקחים על עיצוב באופן כללי יותר", אומר בראון.
הנתונים הנרחבים שלהם כבר מקבלים את היישום הראשון שלו בחיים האמיתיים, שעוזר לקדם את העיצוב של ריפוד קסדה חדש עבור חיילי צבא ארה"ב. בראון, סנאפ ושותפת הפרויקט אמילי וויטינג, פרופסור חבר למדעי המחשב במכללת BU College of Arts & Sciences, עבדו עם צבא ארה"ב ועברו בדיקות שדה כדי להבטיח שהקסדות המשתמשות בריפוד הפטנט שלהן נוחות ומספקות הגנה מספקת מפני פגיעות . מבנה התלת מימד המשמש לריפוד שונה מהיצירה שוברת השיאים – עם מרכז רך יותר וקומה קצרה יותר כדי לסייע בנוחות.
התפקיד המתרחב של רובוטים אוטונומיים במחקר
MAMA BEAR הוא לא רובוט המחקר האוטונומי היחיד של בראון. במעבדה שלו יש רובוטים "BEAR" אחרים המבצעים משימות שונות – כמו הננו BEAR, החוקר את הדרך שבה חומרים מתנהגים בקנה מידה מולקולרי באמצעות טכנולוגיה הנקראת מיקרוסקופיה של כוח אטומי. בראון גם עבד עם יורג ורנר, עוזר פרופסור להנדסת מכונות ENG, כדי לפתח מערכת נוספת, הידועה בשם PANDA – קיצור של Polymer Analysis and Discovery Array – BEAR כדי לבדוק אלפי חומרים פולימרים דקים כדי למצוא את המערכת המתאימה ביותר ב סוללה.
"כולם רובוטים שעושים מחקר", אומר בראון. "הפילוסופיה היא שהם משתמשים למידת מכונה יחד עם אוטומציה כדי לעזור לנו לבצע מחקר הרבה יותר מהר."
"לא רק מהר יותר", מוסיף סנאפ. "אתה יכול לעשות דברים שאתה לא יכול לעשות בדרך כלל. אנחנו יכולים להגיע למבנה או מטרה שלא היינו מצליחים להשיג אחרת, כי זה היה יקר מדי וגוזל זמן”. הוא עבד בשיתוף פעולה הדוק עם MAMA BEAR מאז שהניסויים החלו ב-2021, והעניק לרובוט את יכולתו לראות – המכונה ראיית מכונה – ולנקות את לוח הבדיקה שלו.
העתיד של המחקר האוטונומי
ה-KABlab מקווה להוכיח עוד יותר את החשיבות של מחקר אוטונומי. בראון רוצה להמשיך לשתף פעולה עם מדענים בתחומים שונים שצריכים לבדוק מספר גדול להפליא של מבנים ופתרונות. למרות שהם כבר שברו שיא, "אין לנו יכולת לדעת אם הגענו ליעילות המקסימלית", אומר בראון, כלומר הם עלולים לשבור אותו שוב. אז, MAMA BEAR ימשיך לרוץ, לדחוף גבולות עוד יותר, בעוד בראון והצוות שלו יראו לאילו יישומים נוספים מסד הנתונים יכול להיות שימושי. הם גם בוחנים כיצד ניתן לפרום את יותר מ-25,000 החלקים המרוסקים ולטעון מחדש לתוך מדפסות התלת-ממד, כך שניתן למחזר את החומר לניסויים נוספים.
"אנחנו הולכים להמשיך ולחקור את המערכת הזו, מכיוון שיעילות מכנית, כמו כל כך הרבה תכונות חומר אחרות, נמדדת במדויק רק בניסוי", אומר בראון, "ושימוש במעבדות לנהיגה עצמית עוזר לנו לבחור את הניסויים הטובים ביותר ולבצע אותם בתור מהר ככל האפשר."
