CARL-Bot apprend à monter des anneaux vortex sous-marins pour une propulsion efficace

Andrew Corselli Les chercheurs ont appris au CARL-Bot à se positionner de manière à pouvoir se déplacer sur des anneaux de vortex sous-marins plutôt que de lutter contre les turbulences. (Image :Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Les scientifiques de Caltech dirigés par John Dabiri (PhD '05), professeur du centenaire d'aéronautique et de génie mécanique, ont tiré parti de la capacité naturelle des méduses à traverser et à sonder l'océan, en les équipant d'électronique et de « chapeaux » prothétiques avec lesquels les créatures peuvent transporter de petites charges utiles lors de leurs voyages nautiques et rapporter leurs découvertes à la surface. Ces méduses bioniques doivent faire face au flux et au reflux des courants qu'elles rencontrent, mais ces créatures sans cervelle ne prennent pas de décisions sur la meilleure façon de naviguer vers une destination, et une fois déployées, elles ne peuvent pas être contrôlées à distance.

"Nous savons que les méduses augmentées peuvent être de grandes exploratrices des océans, mais elles n'ont pas de cerveau", explique Dabiri. "Donc, l'une des choses sur lesquelles nous avons travaillé est de développer à quoi ressemblerait ce cerveau si nous devions doter ces systèmes de la capacité de prendre des décisions sous l'eau."

Aujourd'hui, Dabiri et son ancien étudiant diplômé Peter Gunnarson (PhD '24), actuellement à l'Université Brown, ont trouvé un moyen de simplifier ce processus de prise de décision et d'aider un robot, ou potentiellement une méduse augmentée, à se lancer dans les vortex turbulents créés par les courants océaniques plutôt que de lutter contre eux. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue PNAS Nexus .

Pour ce travail, Gunnarson est revenu vers un vieil ami du laboratoire :CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson a construit le CARL-Bot il y a des années dans le cadre de son travail visant à commencer à intégrer l'intelligence artificielle dans la technique de navigation d'un tel robot. Mais Gunnarson a récemment découvert un moyen plus simple que l'IA pour permettre à un tel système de prendre des décisions sous l'eau.

"Nous réfléchissions à la manière dont les véhicules sous-marins pourraient utiliser les courants d'eau turbulents pour se propulser et nous nous demandions si, au lieu de constituer un problème, ils pourraient constituer un avantage pour ces véhicules plus petits", a déclaré Gunnarson.

Gunnarson voulait comprendre exactement comment un courant pousse un robot. Il a attaché un propulseur à la paroi d'un réservoir de 16 pieds de long dans le laboratoire de Dabiri du laboratoire aéronautique Guggenheim sur le campus de Caltech afin de générer à plusieurs reprises ce qu'on appelle des anneaux de vortex – essentiellement les équivalents sous-marins des anneaux de fumée. Les anneaux de vortex sont une bonne représentation des types de perturbations qu'un explorateur sous-marin pourrait rencontrer dans l'écoulement chaotique des fluides de l'océan.

Gunnarson a commencé à utiliser l'accéléromètre unique embarqué du CARL-Bot pour mesurer la façon dont il se déplaçait et était poussé par les anneaux de vortex. Il remarqua que de temps en temps, le robot était pris dans un anneau de vortex et poussé à travers le réservoir. Lui et ses collègues ont commencé à se demander si cet effet pouvait être intentionnel.

Pour explorer cela, l'équipe a développé des commandes simples pour aider CARL à détecter l'emplacement relatif d'un anneau de vortex, puis à se positionner pour, selon les mots de Gunnarson, "monter et faire un tour essentiellement gratuitement à travers le réservoir". Alternativement, le robot peut décider de s'écarter d'un anneau vortex qu'il ne veut pas se laisser pousser.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Gunnarson.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté en apprenant au CARL-Bot à se positionner ?

Gunnarson :La difficulté de ce genre de problème est qu'il implique à la fois des sensations et une prise de décision. Ainsi, pour que ce robot puisse profiter des courants que nous produisons dans le réservoir, il doit à la fois savoir que les courants sont là et décider quoi faire lorsqu'il est capable de les détecter. Donc, je suppose que la partie la plus délicate était de déterminer quel type de signaux le robot pouvait détecter et ce qu'il pouvait faire en réponse à ces signaux spécifiques. J'ai eu un peu de chance de découvrir qu'on peut nager dans une direction particulière si on détecte un certain signal, ce qui permet au robot de profiter des courants qui l'entourent pour se propulser.

Notes techniques :Pouvez-vous s'il vous plaît expliquer en termes simples comment il détecte les anneaux de vortex et également comment il décide de tenir le coup ou non ?

Gunnarson :Tout d'abord, je dirai que l'anneau vortex est un analogue expérimental de nombreuses turbulences que l'on peut trouver dans l'océan et dans l'atmosphère. C'est une version très reproductible que nous pouvons utiliser en laboratoire. C'est essentiellement comme un rond de fumée ; ce qu'il fait, c'est utiliser l'accéléromètre à bord du robot, pour que le robot puisse sentir qu'il est poussé presque en petit cercle par cette structure verticale qui passe. Donc, si vous imaginez qu'il y a une tornade qui passe, vous voyez que les choses sont captées et tournées par elle. C'est une idée similaire à celle-là. Donc, une fois qu'il reconnaît qu'il est tourné ou poussé par cet anneau vortex, cela fournit suffisamment d'informations pour savoir, d'accord, l'anneau vortex est dans cette direction.

Ainsi, si le robot voulait faire un tour parce qu'il allait dans la bonne direction, il pourrait décider "Nageons vers cette tornade de fluide". Mais également, si cette structure allait dans la mauvaise direction, le robot pourrait décider :"Oh, je veux nager dans la direction opposée pour ne pas me laisser prendre par elle."

Notes techniques :Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter et que je n'ai pas abordé ?

Gunnarson :Il s'agit d'un domaine de recherche passionnant car les ingénieurs examinent généralement les véhicules traditionnels comme les avions de ligne et sont enthousiasmés par une amélioration d'environ 1 % de cette efficacité. Mais lorsqu’il s’agit de ces véhicules autonomes plus petits, les gains potentiels que vous pouvez obtenir en interagissant plus intelligemment avec les courants et les rafales peuvent être énormes. Je pense donc qu'il s'agit d'un nouveau domaine de recherche qui est en quelque sorte stimulé par ces petits systèmes autonomes et qui, je pense, apportera de très gros gains à l'avenir.

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