CARL-Bot Aprende a Surfar Anéis de Vórtice Subaquáticos para Propulsão Eficiente

Andrew Corselli

Pesquisadores ensinaram CARL-Bot a posicionar-se para pegar carona em anéis de vórtice subaquáticos em vez de lutar contra turbulência. (Imagem: Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Cientistas do Caltech liderados por John Dabiri (PhD '05), Professor Centenário de Aeronáutica e Engenharia Mecânica, têm aproveitado habilidade natural de águas-vivas para atravessar e sondar oceano, equipando-as com eletrônica e "chapéus" protéticos com que criaturas podem carregar pequenas cargas em suas jornadas náuticas e reportar achados de volta à superfície. Estas águas-vivas biônicas devem lidar com fluxo e refluxo de correntes que encontram, mas criaturas sem cérebro não tomam decisões sobre como melhor navegar a destino, e uma vez implantadas, não podem ser controladas remotamente.

"Sabemos que águas-vivas aumentadas podem ser grandes exploradoras oceânicas, mas não têm cérebro", diz Dabiri. "Então, uma das coisas em que trabalhamos é desenvolver como seria esse cérebro se imbuíssemos estes sistemas com capacidade de tomar decisões subaquáticas."

Agora Dabiri e seu ex-aluno de graduação Peter Gunnarson (PhD '24), agora na Brown University, descobriram forma de simplificar processo de tomada de decisão e ajudar robô, ou potencialmente água-viva aumentada, pegar carona em vórtices turbulentos criados por correntes oceânicas em vez de lutar contra eles. Pesquisadores publicaram recentemente achados no periódico PNAS Nexus.

CARL-Bot e Anéis de Vórtice

Para este trabalho, Gunnarson voltou a velho amigo no laboratório: CARL-Bot (Caltech Autonomous Reinforcement Learning roBot). Gunnarson construiu CARL-Bot anos atrás como parte de seu trabalho para começar incorporar inteligência artificial em técnica de navegação de tal bot. Mas Gunnarson recentemente descobriu forma mais simples que IA para ter tal sistema tomar decisões subaquáticas.

"Estávamos pensando em formas que veículos subaquáticos poderiam usar correntes de água turbulentas para propulsão e nos perguntamos se, em vez de serem problema, poderiam ser vantagem para estes veículos menores", disse Gunnarson.

Gunnarson queria entender exatamente como corrente empurra robô. Prendeu propulsor à parede de tanque de 5 metros no laboratório de Dabiri no Laboratório Aeronáutico Guggenheim no campus do Caltech para gerar repetidamente anéis de vórtice — basicamente equivalentes subaquáticos de anéis de fumaça. Anéis de vórtice são boa representação de tipos de perturbações que explorador subaquático encontraria no fluxo fluido caótico do oceano.

Gunnarson começou usando acelerômetro único a bordo do CARL-Bot para medir como ele se movia e era empurrado por anéis de vórtice. Notou que de vez em quando robô ficava preso em anel de vórtice e era empurrado através do tanque. Ele e colegas começaram a se perguntar se efeito poderia ser feito intencionalmente.

Para explorar isso, equipe desenvolveu comandos simples para ajudar CARL detectar localização relativa de anel de vórtice e então posicionar-se para, nas palavras de Gunnarson, "pular e pegar carona basicamente de graça através do tanque". Alternativamente, bot pode decidir sair do caminho de anel de vórtice que não quer ser empurrado por ele.

Entrevista Exclusiva Tech Briefs

Tech Briefs: Qual maior desafio técnico enfrentou ensinando CARL-Bot a posicionar-se?

Gunnarson: Coisa complicada sobre este tipo de problema é que envolve tanto sensoriamento quanto tomada de decisão. Então, para este robô aproveitar correntes que produzimos no tanque, tem que tanto saber que correntes estão lá e então decidir o que fazer quando consegue senti-las. Acho que parte mais difícil foi descobrir que tipo de sinais robô podia sentir e então o que podia fazer em resposta a esses sinais específicos. Teve um pouco de sorte que acabei descobrindo que pode nadar em direção particular se sente certo sinal, e isso permite robô aproveitar correntes ao redor para propulsão.

Tech Briefs: Pode explicar em termos simples como detecta anéis de vórtice e como decide segurar ou não?

Gunnarson: Primeiro, direi que anel de vórtice é análogo experimental de muita turbulência que você encontra no oceano e atmosfera. É versão muito repetível que podemos usar no laboratório. Basicamente como anel de fumaça; o que faz é usar acelerômetro a bordo do robô, então robô sente que está sendo empurrado quase em pequeno círculo por esta estrutura vertical que passa. Se imaginar, há tornado passando, você vê coisas pegas e giradas por ele. Ideia similar. Então, uma vez que reconhece que está sendo girado ou empurrado por este anel de vórtice, isso fornece informação suficiente para saber, ok, anel de vórtice está nesta direção.

Se robô quisesse pegar carona porque ia na direção certa, decidiria 'Vamos nadar em direção a este tornado de fluido'. Mas igualmente, se esta estrutura fosse na direção errada, robô decidiria 'Oh, quero nadar na direção oposta para não ser pego nela'. É este tipo de tomada de decisão que colocaria em veículo futuro que esperançosamente decidiria andar com correntes ou evitá-las dependendo de onde você quer que vá.

Tech Briefs: Há algo mais que gostaria de adicionar que não toquei?

Gunnarson: É área emocionante de pesquisa porque engenheiros tipicamente olham veículos tradicionais como aviões de linha e ficam animados com tipo 1% de melhoria naquela eficiência. Mas, quando falamos destes veículos autônomos menores, ganhos potenciais que você obtém interagindo mais inteligentemente com correntes e rajadas podem ser enormes. Então, acho que é nova área de pesquisa meio impulsionada por estes pequenos sistemas autônomos que acho terá ganhos realmente grandes no futuro.

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