A evolução é uma jornada. Por um lado, esse parece ser um mecanismo simples - indivíduos que estão melhor adaptados ao ambiente dão à luz mais crianças e menos adaptados não se reproduzem tanto, e seus genes são filtrados. Por outro lado, ela foi capaz de gerar uma incrível variedade de organismos. Alguns animais voam com asas emplumadas, outros com membranas esticadas entre os dedos. Alguns correm com duas pernas, outros com quatro. E tudo à sua maneira, adaptado ao ambiente.
A evolução é poderosa, e os especialistas em robótica estão recorrendo a esse poder hoje para se inspirar. Um novo estudo conceitual de cientistas australianos está explorando como algoritmos evolutivos podem gerar pernas para robôs adaptados para andar em determinadas superfícies. Os resultados foram lógicos, contra-intuitivos e estranhos - e também sugeriram uma nova maneira de fabricar máquinas de andar.
Os pesquisadores começaram com 20 formas aleatórias de pernas digitais, limitadas por um determinado tamanho (não precisamos de pernas de três metros de pesadelos). Cada circuito é baseado em elementos conhecidos como
curvas de Bezier . "A curva de Bezier pode ser vista no Microsoft Paint, onde você define uma curva para vários pontos de controle, apenas os usamos em três dimensões", diz o pesquisador David Howard, da Organização Pública Australiana de Pesquisa Científica e Industrial. O sistema projeta essas curvas em uma grade de pixels tridimensionais -
voxels . "No ponto em que a curva cruza com o voxel, colocamos nosso material", acrescenta Howard. "Todo o resto permanece vazio." Como resultado, cada circuito se torna único.
A simulação estuda a aptidão da perna resultante para caminhar em três superfícies diferentes: solo sólido, cascalho e água. Simplesmente, em vez de escolher propriedades como boa visão ou camuflagem, como ocorre durante a seleção natural, o sistema seleciona esquemas para o torque que o motor precisaria desenvolver para girar uma perna de um determinado comprimento ao caminhar em uma determinada superfície. Em outras palavras, uma boa perna é uma perna com eficiência energética. Também foram dados bônus por pernas que exigem menos material.
"Para a superfície de cascalho na qual o pé passa, calculamos as forças que atuam em cada seixo", diz Howard. "Isso nos dá uma idéia muito precisa do que o pé faz no meio ambiente." O mesmo acontece com a água e o solo sólido.
Em seguida, os pesquisadores pegaram 20 das pernas originais e as combinaram com as que se mostraram melhores. Eles escolheram as pernas mais adaptadas para criar as pernas das filhas, um pouco como as dos pais. "Fazemos isso repetidamente", diz Howard. Por mil gerações. Como resultado, metade da população, que apresentou os piores resultados, desapareceu, pois os animais desaparecem na natureza sob a influência de fatores ambientais. "E então aplicamos a adaptação automática ao meio ambiente."
Na imagem acima, na primeira linha estão as pernas, que o algoritmo considerou as mais eficazes para caminhar sobre uma superfície dura. A linha do meio é preferida para o cascalho, o fundo para a água.
As pernas em forma de lâmina são uma escolha lógica para caminhar em solo duro. Como é difícil, as pernas estreitas não caem. "Portanto, as pernas para cascalho são mais grossas, precisam de pegadas mais largas", disse Howard. Eles ajudam as pernas a pisar no cascalho, não caindo como sapatos de neve.
Pernas grossas adaptadas para a água? Isso ainda é um mistério. "Algo estranho aconteceu com a água, esperávamos algo que parecia lâminas, como caminhar em uma superfície dura", disse Howard. Isso permitiria que eles cortassem a água. Você também pode esperar membros mais finos do sistema, considerando todas as tarefas iniciais. “Mas as pernas estreitas não funcionaram. Ainda não sabemos ao certo por que.
Também bastante estranhas foram algumas saliências, especialmente nas pernas destinadas ao solo. "Gostamos da teoria de que eles têm seus próprios objetivos", diz Howard. Mas, de fato, ao marcar a curva de Bezier na rede de voxel, sua parte, que parece inútil, na verdade faz parte de uma curva muito maior que fornece estrutura dentro da perna ". As saliências parecem brutais, mas, na realidade, são apenas artefatos que não ajudam, mas também não interferem nas pernas. Howard e seus colegas aprimoraram o sistema para que ele os reconhecesse e os excluísse automaticamente.
Os pesquisadores imprimiram essas pernas em uma impressora 3D e as conectaram a um robô de seis pernas. Agora eles planejam testar sua eficácia em uma superfície real em comparação com as pernas projetadas por seres humanos. A equipe já carregou exemplos dessas pernas no simulador, e as pernas obtidas como resultado da "evolução" não são piores, e às vezes melhores, artificiais.
Por que você precisa se esforçar para simular a evolução dos robôs? Por exemplo, você pode dar ao robô uma especialização estreita para se mover em uma determinada superfície e não se basear em pernas de uso generalizado. Teoricamente, isso permitirá que o robô lide melhor em determinadas situações, por exemplo, ao superar dunas de areia.
“Se você deseja usar o robô em um ambiente diferente, basta reiniciar o algoritmo”, diz Tonnes Nigaard, que estuda a mudança de forma sob a influência da evolução dos robôs na Universidade de Oslo e não participou deste trabalho. "Se você desenvolveu um sistema projetado especificamente para uma finalidade específica, nos estágios posteriores do projeto, isso já pode ser impossível."
O sistema Nigaard, um robô de quatro patas com pernas telescópicas, evolui em movimento. Por tentativa e erro - ou seja, muitas vezes caindo - ele aprende a andar, por exemplo, em uma superfície gelada, encurtando as pernas para diminuir o centro de gravidade. Dentro de casa, ele pode alongá-los para aumentar o comprimento da passada e aumentar a eficiência do movimento. Pode ser possível combinar essas duas tecnologias: use a simulação para desenvolver um design de pé adequado e depois construa-o em uma máquina real que possa mudar.
E se a evolução consegue fazer bem, então é surpreendente. "A evolução busca respostas em uma variedade muito maior de opções", diz Howard. "Ela não se importa com a aparência da coisa resultante." Ela pode parecer completamente contra-intuitiva, não como um engenheiro humano teria pensado. Mas se funcionar, nada mais importa.