CARL-Bot aprende a montar anillos de vórtice submarinos para una propulsión eficiente

Andrés Corselli

Los investigadores han enseñado al CARL-Bot a posicionarse de manera que pueda viajar en anillos de vórtice submarinos en lugar de luchar contra las turbulencias. (Imagen:Gunnarson/Dabiri/Caltech)

Los científicos de Caltech dirigidos por John Dabiri (PhD '05), profesor centenario de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, han estado aprovechando la capacidad natural de las medusas para atravesar y sondear el océano, equipándolas con dispositivos electrónicos y "sombreros" protésicos con los que las criaturas pueden transportar pequeñas cargas útiles en sus viajes náuticos e informar sus hallazgos a la superficie. Estas medusas biónicas deben lidiar con el flujo y reflujo de las corrientes que encuentran, pero estas criaturas sin cerebro no toman decisiones sobre la mejor manera de navegar hacia un destino y, una vez desplegadas, no pueden controlarse de forma remota.

"Sabemos que las medusas aumentadas pueden ser grandes exploradoras de los océanos, pero no tienen cerebro", dice Dabiri. "Entonces, una de las cosas en las que hemos estado trabajando es en desarrollar cómo se vería ese cerebro si dotáramos a estos sistemas de la capacidad de tomar decisiones bajo el agua".

Ahora Dabiri y su ex estudiante de posgrado Peter Gunnarson (PhD '24), que ahora está en la Universidad de Brown, han descubierto una manera de simplificar ese proceso de toma de decisiones y ayudar a un robot, o potencialmente una medusa aumentada, a viajar en los turbulentos vórtices creados por las corrientes oceánicas en lugar de luchar contra ellas. Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en la revista PNAS Nexus. .

Para este trabajo, Gunnarson recurrió a un viejo amigo en el laboratorio:CARL-Bot (roBot de aprendizaje por refuerzo autónomo de Caltech). Gunnarson construyó el CARL-Bot hace años como parte de su trabajo para comenzar a incorporar inteligencia artificial en la técnica de navegación de dicho robot. Pero Gunnarson descubrió recientemente una forma más sencilla que la IA de hacer que un sistema de este tipo tome decisiones bajo el agua.

"Estábamos pensando en formas en que los vehículos submarinos podrían utilizar corrientes de agua turbulentas para su propulsión y nos preguntamos si, en lugar de ser un problema, podrían ser una ventaja para estos vehículos más pequeños", dijo Gunnarson.

Gunnarson quería entender exactamente cómo una corriente empuja a un robot. Adjuntó un propulsor a la pared de un tanque de 16 pies de largo en el laboratorio de Dabiri en el Laboratorio Aeronáutico Guggenheim en el campus de Caltech para generar repetidamente lo que se llama anillos de vórtice, básicamente los equivalentes submarinos de los anillos de humo. Los anillos de vórtice son una buena representación de los tipos de perturbaciones que un explorador submarino encontraría en el caótico flujo de fluido del océano.

Gunnarson comenzó a utilizar el único acelerómetro integrado del CARL-Bot para medir cómo se movía y cómo era empujado por los anillos de vórtice. Se dio cuenta de que, de vez en cuando, el robot quedaba atrapado en un anillo de vórtice y era empujado a través del tanque. Él y sus colegas comenzaron a preguntarse si el efecto podría lograrse intencionalmente.

Para explorar esto, el equipo desarrolló comandos simples para ayudar a CARL a detectar la ubicación relativa de un anillo de vórtice y luego posicionarse para, en palabras de Gunnarson, "súbete y viaja básicamente gratis a través del tanque". Alternativamente, el robot puede decidir apartarse del camino de un anillo de vórtice que no quiere que lo empuje.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con Gunnarson.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentó mientras enseñaba al CARL-Bot a posicionarse?

Gunnarson :Lo complicado de este tipo de problema es que implica tanto sentir como tomar decisiones. Entonces, para que este robot aproveche las corrientes que estamos produciendo en el tanque, tiene que saber que las corrientes están ahí y luego decidir qué hacer cuando pueda detectarlas. Entonces, supongo que la parte más complicada fue descubrir qué tipo de señales podía detectar el robot y luego qué podía hacer en respuesta a esas señales específicas. Tuve un poco de suerte al descubrir que puedes nadar en una dirección particular si sientes una señal determinada, y eso permite que el robot aproveche las corrientes a su alrededor para propulsarse.

Resúmenes técnicos :¿Puedes explicar en términos sencillos cómo detecta los anillos de vórtice y también cómo decide si aguanta o no?

Gunnarson :En primer lugar, diré que el anillo de vórtice es un análogo experimental de muchas de las turbulencias que se pueden encontrar en el océano y en la atmósfera. Es una versión muy repetible que podemos usar en el laboratorio. Es básicamente como un anillo de humo; lo que está haciendo es usar el acelerómetro a bordo del robot, para que el robot pueda sentir que esta estructura vertical que se acerca lo empuja casi en un pequeño círculo. Entonces, si imaginas que pasa un tornado, ves cosas que levantan y hacen girar. Es una idea similar a esa. Entonces, una vez que reconoce que este anillo de vórtice lo está haciendo girar o empujado, eso proporciona suficiente información para saber, está bien, el anillo de vórtice está en esta dirección.

Entonces, si el robot quisiera tomar un paseo porque va en la dirección correcta, podría decidir:"Nadamos hacia este tornado de fluido". Pero igualmente, si esta estructura va en la dirección equivocada, el robot podría decidir:"Oh, quiero nadar en la dirección opuesta para no quedar atrapado en él".

Resúmenes técnicos :¿Hay algo más que le gustaría agregar que no mencioné?

Gunnarson :Es un área de investigación apasionante porque los ingenieros normalmente analizan vehículos tradicionales, como aviones de pasajeros, y están entusiasmados con una mejora de aproximadamente el 1 por ciento en esa eficiencia. Pero, cuando hablamos de estos vehículos autónomos más pequeños, las ganancias potenciales que se pueden obtener al interactuar de manera más inteligente con las corrientes y ráfagas pueden ser enormes. Entonces, creo que es una nueva área de investigación impulsada por estos pequeños sistemas autónomos que creo que tendrán grandes beneficios en el futuro.

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