CARL-Bot apprend à surfer sur anneaux vortex sous-marins pour propulsion efficace

Andrew Corselli. Des chercheurs ont enseigné au CARL-Bot à se positionner pour attraper un tour sur anneaux vortex sous-marins plutôt que lutter contre turbulence. (Image : Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Méduses bioniques : exploratrices océaniques sans cerveau

Scientifiques Caltech menés par John Dabiri (PhD '05), professeur centenaire aéronautique et génie mécanique, exploitent capacité naturelle méduses à traverser/plonger océan, les équipant d'électronique et « chapeaux » prothétiques pour qu'elles transportent petites charges sur leurs voyages nautiques et rapportent découvertes en surface. Ces méduses bioniques doivent faire face aux flux/reflux courants, mais créatures sans cerveau ne prennent pas décisions navigation optimale, et une fois déployées, ne peuvent être contrôlées à distance.

« Nous savons méduses augmentées peuvent être grandes exploratrices océan, mais elles n'ont pas de cerveau », dit Dabiri. « Une des choses sur lesquelles on travaille est développer à quoi ressemblerait ce cerveau si on imbue ces systèmes capacité décisions sous-marines. »

Simplification prise décision : attraper vortex au lieu lutter

Maintenant Dabiri et ex-doctorant Peter Gunnarson (PhD '24), maintenant Brown University, ont trouvé façon simplifier ce processus décisionnel et aider robot, ou potentiellement méduse augmentée, attraper tour sur tourbillons turbulents créés par courants océaniques au lieu lutter contre. Résultats publiés dans PNAS Nexus.

CARL-Bot : plateforme test IA navigation

Pour ce travail, Gunnarson est revenu à un vieux ami du labo : CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson a construit CARL-Bot il y a ans dans son travail pour incorporer IA dans technique navigation tel bot. Mais Gunnarson a récemment trouvé façon plus simple que IA pour avoir tel système prendre décisions sous-marines.

« Nous brainitions façons véhicules sous-marins pourraient utiliser courants turbulents pour propulsion et nous demandions si, au lieu d'être problème, ils pourraient être avantage pour ces véhicules plus petits », dit Gunnarson.

Expérience : anneaux vortex en bassin 16 pieds

Gunnarson voulait comprendre exactement comment courant pousse robot. Il a attaché propulseur au mur bassin 16 pieds (5 m) dans labo Dabiri au Guggenheim Aeronautical Laboratory sur campus Caltech pour générer répétitivement anneaux vortex — équivalents sous-marins anneaux fumée. Anneaux vortex sont bonne représentation perturbations qu'explorateur sous-marin rencontrerait dans flux fluide chaotique océan.

Détection par accéléromètre unique + décision simple

Gunnarson a commencé utilisant accéléromètre unique embarqué CARL-Bot pour mesurer comment il bougeait/poussé par anneaux vortex. Il a remarqué que robot se faisait parfois prendre dans anneau vortex et poussé clair à travers bassin. Lui et collègues ont commencé à se demander si effet pouvait être intentionnel.

Pour explorer, équipe a développé commandes simples pour aider CARL détecter position relative anneau vortex et se positionner pour, mots Gunnarson, « sauter dessus et attraper tour basically gratuit à travers bassin ». Alternativement, bot peut décider s'écarter anneau vortex qu'il ne veut pas subir.

Interview exclusive Tech Briefs avec Gunnarson

Tech Briefs : Quel plus grand défi technique face à enseignement CARL-Bot positionnement ?

Gunnarson : Chose délicate ce genre problème implique détection ET prise décision. Robot doit savoir courants là ET décider quoi faire quand il les sent. Partie la plus délicate : comprendre quel genre signaux robot pouvait sentir ET quoi faire en réponse signaux spécifiques. Un peu chance que j'ai découvert qu'on peut nager direction particulière si on sent certain signal, et ça laisse robot profiter courants autour pour propulsion.

Tech Briefs : Expliquez simplement comment il détecte anneaux vortex et décide tenir ou pas.

Gunnarson : D'abord, anneau vortex est analogique expérimental beaucoup turbulence qu'on trouve océan/atmosphère. Version très répétable utilisable en labo. C'est basically comme anneau fumée ; ce qu'il fait : utiliser accéléromètre embarqué, robot sent qu'il est poussé presque en petit cercle par structure verticale passant. Imaginez tornade passant, voyez choses ramassées tournées par elle. Idée similaire. Une fois qu'il reconnaît qu'il est tourné/poussé par anneau vortex, ça fournit assez info pour savoir : ok, anneau vortex dans cette direction.

Si robot veut attraper tour parce que direction bonne, il décide « Nageons vers cette tornade fluide. » Mais si structure va mauvaise direction, robot décide « Oh, je veux nager direction opposée pour ne pas me faire prendre. » C'est ce genre prise décision qu'on mettrait dans futur véhicule qui déciderait surfer courants ou les éviter selon où on veut qu'il aille.

Tech Briefs : Autre chose à ajouter ?

Gunnarson : Domaine recherche excitant car ingénieurs regardent typiquement véhicules traditionnels (avions ligne) et excités pour 1% amélioration efficacité. Mais quand on parle petits véhicules autonomes, gains potentiels interagissant intelligemment avec courants/rafales peuvent être énormes. Donc, nouvelle zone recherche stimulée par ces petits systèmes autonomes qui aura gains vraiment grands futur.

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