Робототехника және физикалық интеллект: профессор Метін Ситти зерттеулері

Кіріспе

Робототехника саласындағы профессор Меттин Ситти 2014 жылы өзі құрған Штутгарттағы Макс Планк интеллектуалды жүйелер институтының физикалық интеллект департаментінің директоры. Ол сонымен қатар Цюрихтегі ЭТХ ақпараттық технологиялар және электр инженериясы факультетінің профессоры, Коч университетінің Медицина мектебі мен Инженерлік колледжінің профессоры және АҚШ-тың Питтсбург қаласында орналасқан Setex Technologies Inc. компаниясының құрылтайшысы.

Шолу

Метин Ситти – сымсыз шағын медициналық роботтар, геконнан шабыттанған жабысқыштар және биошабытталған миниатюралық роботтар саласындағы алғашқы зерттеуші. Оның тобы, Физикалық интеллект бөлімі, кішкентай мобильді роботтардың дизайны, қозғалысы, басқаруы, қабылдауы және оқуы принциптерін түсінуге ұмтылады. Ситти және оның командасы роботтарға интеллектті (мысалы, сезіну, іске қосу, басқару, жад, логика, есептеу, бейімделу, оқу және шешім қабылдау мүмкіндіктері) енгізуді мақсат етеді. Олар роботтың физикалық денесіне интеллектті енгізу үшін ақылды стимулға жауап беретін материалдарды, құрылымдарды және механизмдерді пайдаланады.

Зерттеу бағыты

Ақыл-құбылыс мидың күші арқылы пайда болады – нейрондар электрхимиялық сигналдарды жинап, жіберіп, адамды, жануарды немесе жәндікті ойлауға мүмкіндік береді. Бірақ ақыл-құбылыстың тағы бір түрі бар, ол – дене құрылысы арқылы. Геконның аяқтары кез келген бетке жабысып тұруға көмектеседі, оның құрылымын табиғатта тірі қалуға көмектесетіндей ақылды етеді. Физикалық интеллект – аппараттың ақылдылығы, тек миға енгізілген бағдарламалық жасақтама емес. Метин Ситти және оның командасының зерттеулері шағыннан миллиметрлікке, тіпті микрометрлікке дейін жетеді. Кейбір роботтар шаштың қалыңдығындай кішкентай. Әрине, мұндай кішкентай роботқа көп аппараттық құралдарды қосу мүмкін емес, сондықтан оларды сырттан, қашықтан басқару керек. Магниттік, акустикалық немесе жарық энергиясы – сыртқы күш болып табылады. Тағы бір жолы – тірі бактерияларды немесе балдырларды роботты итеру үшін, ат арбаны тартқандай, роботқа ілестіру. Бірақ өздігінен ойлайтын бактерияны қалай басқаруға болады? Міне, осы жерде биологиялық инженерия қолданылады, бактериялар қозғалу жылдамдығын арттыру үшін немесе ісік сияқты нақты нәрселерді сезу үшін жасалады. Физикалық интеллект бөлімінің ғылымы үш негізгі бағытқа бөлінген. Біріншіден, – Үлгілі материалдар бағыты, онда зерттеушілер кішкентай роботтарға физикалық интеллектті енгізу үшін жаңа биошабытты, биологиялық немесе синтетикалық материалдарды әзірлейді. Мысалы, оның командасы робот корпустарын немесе қысқыштарды және киілетін жұмсақ сенсорларды бақылау үшін гекон аяғының түкпіршіктерінен шабыттанған эластомерлі микроталшықты жабысқыштарды жобалайды, өндіреді және қолданады, сондай-ақ жабысу/сүріну және сұйықтық ылғалдануын қамтамасыз етеді. Тағы бір мысал – өзін-өзі жазатын және көп функциялы ақуыз материалдары, пішінін бағдарламалауға болатын және көп функциялы жұмсақ магниттік композиттер, стимулдарға жауап беретін сұйық кристалды эластомерлер мен гидрогельдер, функционалды микро/наноматериалдар, науқастан алынған биоматериалдар және жарықпен жұмыс істейтін фотокатализдік және сұйық кристалды материалдар – бұл шағын жұмсақ роботтарды іске қосу, қозғалту, сезу, бақылау және физикалық бейімделу үшін қолданылады. Екіншіден, – Қозғалмалы миллироботтар бағыты, онда роботтардың көлемі көбінесе 1 мм-ге дейін төмендейді. Метин Ситти және оның командасы жәндіктерге, кесірткелерге, медузаларға және басқа да көптеген шағын организмдерге қарап, жануарлардың қозғалыс принциптерін түсінуге тырысады және осы білімді шағын масштабта роботтар жасау үшін қолданады. Сондай-ақ, таблеткаға ұқсас жұмсақ капсулалы робот сияқты өнертабыстар да бар. Бір күні науқас осы капсуланы жұтып, асқазан ішіндегі ісіктің үлгісін алуы мүмкін. Осы бағыттағы маңызды жетістіктердің бірі – Wormmate деп аталатын жұмсақ миллиробот, ол жұмсақ денелі шағын организмдерден шабыттанған түрлі жерлерде (қатты жер, су, су беті) бір уақытта жеті түрлі қозғалыс жасай алады. Ситти және оның командасы қазір осы және басқа да кішкентай роботтарды қолдану бойынша жұмыс істеп жатыр, олар ультрадыбыстық немесе рентгендік медициналық бейнелеу арқылы дененің бұрын-соңды қол жеткізуге болмаған және қол жеткізу қиын аймақтарына өтуі мүмкін. Бұл роботтық жаңалық 2018 жылы Nature журналында жарияланып, әлемдік жаңалықтарға енді. Үшіншіден, – Қозғалмалы микророботтар бағыты, Метин Ситти бір күні денсаулық сақтау және биотехнологияда стандартқа айналады деп үміттенеді. Микророботтар, олардың миллиметрлік емес, субмиллиметрлік мөлшері (барлық өлшемдері 1 мм-ден кем) болғандықтан, бір күні адам денесіндегі микрокапиллярлар сияқты жабық кеңістіктерге кіре алады. Олар дене сұйықтықтары арқылы өтіп, ісікпен тікелей әрекеттесе алады. Сымсыз қозғалмалы микророботтар адам ағзасындағы аз инвазивті диагностика және емдеу сияқты көптеген жаңа қолданбаларды іске асыруға мүмкіндік береді. Метин Ситти және оның командасы әзірлеп жатқан жұмсақ милли- және микророботтардың үлкен әлеуеті бар және бір күні медицинаға революциялық әсер етуі мүмкін. Ғалымдар жақын арада дененің қол жеткізу қиын аймақтарына қол жеткізе алатын сымсыз шағын машиналарды жасауға жұмыс істеп жатыр. Жартылай имплантацияланатын медициналық құрылғылар ретінде, пішінін бағдарламалауға болатын және биоүйлесімді магнитті жұмсақ материалдардан жасалған бұл технологиялар науқастың денесінде ұзақ уақыт бойы қалады, бұл диагностикалық және терапиялық араласуларды барынша азайтуға немесе инвазивті емес жасауға мүмкіндік береді. Алайда, бұл кішкентай роботтарды клиникаларда қолдануға дейін әлі де көптеген қиындықтарды жеңу керек. Ғалымдар әлі де көптеген қиындықтарға тап болып отыр: олар дене сұйықтықтарының ағыны мен органдардың қозғалысын ескере отырып, осы кішкентай роботтарды дене ішінде жоғары дәлдікпен қозғау және басқару тәсілдерін әзірлеуі керек. Сондай-ақ, пациент қауіпсіздігін қамтамасыз етуі және осы роботтар ұзақ уақыт бойы денеде болуы мүмкін екенін, тіпті иммундық немесе басқа да реакциялар туындаған жағдайда да қамтамасыз етуі керек.

There is intelligence through brain power – neurons gathering and transmitting electrochemical signals that make a human, an animal or insect think. But there's another form of intelligence, and that is through the way the body is built. A gecko has feet that helps it stick to practically any surface, making his structure intelligent as it helps it survive in nature. Physical Intelligence means the hardware is smart, not just the software embedded in the brain. Metin Sitti and his team's research ranges from small to milli to microscale. Some robots are so tiny they have the size of a hair. Obviously, you can't add much hardware to such a small robot, so you have to be able to steer them around from outside, remotely. Magnetic, acoustic or light energy is the external force at play. Another way is using for instance live bacteria or algae to hook onto the robot – like a horse pulling a cart – to propel the robot forward. But how to control the bacteria which has a mind of its own? This is where biological engineering takes place where the bacteria is engineered in such a way that it is very fast in moving around, or senses specific things like a tumor. The science in the Physical Intelligence Department is structured into three research thrusts. First, there is the Advanced Materials thrust where the researchers develop new bio inspired, biological or synthetic materials for encoding physical intelligence into small scale robots. As an example, his team designs, manufactures and applies gecko foot hairs inspired elastomer microfiber adhesives for controlled gripping, adhesion/friction, and liquid wetting of robot bodies or grippers and wearable soft sensors. Another example are self healing and multifunctional protein materials, shape programmable and multifunctional soft magnetic composites, stimuli responsive liquid crystal elastomers and hydrogels, functional micro/nanomaterials, patient derived biomaterials, and light driven photocatalytic and liquid crystal materials for miniature soft robot actuation, propulsion, sensing, control, and physical adaptation. Second, there is the Mobile Millirobots thrust where the robots are often down to 1 mm in size. Metin Sitti and his team look at insects, lizards, jellyfish, and many other small scale organisms and try to understand the animal's locomotion principles and apply that knowledge to create robots at the small scale. There are also inventions such as a soft capsule robot, which looks much like a pill. One day, a patient could be able to swallow this capsule and it could take samples of a tumor inside the stomach. One of the main breakthroughs in this thrust area is a soft millirobot named Wormmate that is able to achieve seven different locomotions at the same time in multiple terrains (solid ground, water, water surface) inspired by soft bodied small organisms. Sitti and his team are currently working on using this and other tiny robots to one day navigate through unprecedented and hard to reach regions inside the body under ultrasound or x ray medical imaging for minimally invasive medical operations. This robotic breakthrough was published in Nature in 2018 and made the headlines all across the world. Third, there is the Mobile Microrobots thrust, which Metin Sitti hopes will one day be a standard in healthcare or biotechnology. Microrobots, through their miniature size at a sub millimeter scale (they are less than 1mm in all dimensions), could one day be able to access enclosed spaces such as microcapillaries inside a human body. They copuld travel through the body's fluids and directly interact with a tumor. Untethered mobile microrobots might enable many new applications, such as minimally invasive diagnosis and treatment inside the human body. Soft milli and microrobots such as those Metin Sitti and his team are developing hold huge potential and could one day have a radical impact on medicine. The scientists are working towards developing wireless tiny machines that in the near future will perhaps be able to access difficult to reach regions inside the body. As semi implantable medical devices that are shape programmable and built from biocompatible magnetic soft materials, these technologies would remain inside a patient's body for a long time, enabling minimally or non invasive diagnostic and therapeutic interventions. However, many challenges must still be overcome before these tiny robots can be applied in clinics. The scientists are still faced with many challenges: they must develop ways to move and control these tiny robots inside the body with high levels of precision, taking body fluid flows and organ movement into account. They must also ensure that patient safety is guaranteed, and that these robots can be in us for long periods of time, even in the face of potential immune or other reactions.

Курсиум-биография

Ситти 1992 және 1994 жылдары Стамбулдағы Боғазичи университетінен электр және электроника инженериясы бойынша бакалавр және магистр дәрежелерін алды. 1999 жылы Токио университетінде электр инженериясы бойынша докторлық диссертациясын қорғады. 1999 жылдан 2002 жылға дейін ол Калифорния университетінде (UC Berkeley) ғылыми қызметкер, ал 2002 жылдан 2014 жылға дейін Карнеги Меллон университетінің Механикалық инженерия кафедрасы мен Робототехника институтында профессор болды. 2014 жылы Ситти Штутгарттағы Макс Планк интеллектуалдық жүйелер институтының директоры болды. Ситти – әйгілі ғалым. 2020 жылдың 9 қарашасында, Берлин қабырғасының құлауына дәл 31 жыл толуымен, Ситтиге Falling Walls World Science Summit ұйыммен «Жылдың жаңаруы» сыйлығы, Инженерия және Технология саласында табыс етілді. 2019 жылдың наурыз айында ол Еуропалық зерттеу кеңесінен (ERC) беделді Advanced Grant грантын алды, ол тек өзінің жоғары деңгейін дәлелдеген тәжірибелі зерттеушілерге ғана беріледі. Грант иегерлері зерттеу еңбектерінің жаңалықтары мен маңыздылығы тұрғысынан өз салаларындағы көшбасшылар болып табылады. Сонымен қатар, Ситти мен оның командасы жақында медициналық функциялары бар, нәресте медузадан шабыттанған жұмсақ миллироботты ойлап тапқандары үшін беделді Роботика ғылымы және жүйелері конференциясында «Ең үздік мақала» сыйлығын алды. Ситти 2018 жылы Рахми Коч ғылым медалін, 2019 жылы Роботика ғылымы және жүйелері конференциясында «Ең үздік мақала» сыйлығын, 2014 жылы IEEE/ASME «Ең үздік мехатроника мақаласы» сыйлығын, 2011 жылы SPIE Nanoengineering Pioneer Award сыйлығын, 1998 және 2009 жылдары IEEE/RSJ «Интеллектуалды роботтар және жүйелер» конференциясында «Ең үздік мақала» сыйлығын және 2005 жылы NSF CAREER сыйлығын алды. Ол «Биомедициналық инженериядағы прогресс» және «Микробиоробототехника журналы» журналдарының бас редакторы, сондай-ақ «Science Advances» және «Extreme Mechanics Letters» журналдарының редакторы болып табылады. Ситти екі кітап және 460-тан астам рецензияланған мақала жариялады, олардың 300-ден астамы архивтік журналдарда жарық көрді. Оның тобының ғылыми жетістіктері New York Times, Wall Street Journal, Le Monde, The Economist, Der Spiegel, Forbes, Süddeutsche Zeitung, Science, New Scientist Science News, Nature News, MIT Technology Review, IEEE Spectrum Magazine және Stuttgarter Zeitung сияқты танымал басылымдарда жарияланды. Ол университеттерде, конференцияларда және индустрияда 200-ден астам шақырылған баяндамалар, пленарлық отырыстар мен ерекше семинарлар өткізді. Оның 12 ресми тіркелген патенты және 15 күтіліп жатқан патенты бар.

Sitti received his BSc and MSc degrees in electrical and electronics engineering from Boğaziçi University in Istanbul in 1992 and 1994, respectively, and his Ph. D. degree in electrical engineering from the University of Tokyo in 1999. He was a research scientist at UC Berkeley from 1999 to 2002 and a Professor at the Department of Mechanical Engineering and Robotics Institute at Carnegie Mellon University from 2002 to 2014. He became a Director at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart in 2014. Sitti is an acclaimed scientist. On November 9, 2020, exactly 31 years after the fall of the Berlin Wall, Sitti was presented with the «Breakthrough of the Year» Award 2020 in the Engineering and Technology category by the Falling Walls World Science Summit. In March 2019, he received a prestigious Advanced Grant from the European Research Council (ERC), which is awarded only to established researchers with a proven track record of excellence. In terms of the originality and significance of research contributions, grant recipients are exceptional leaders in their given fields. What is more, Sitti and his team recently received the Best Paper Award at the prestigious Robotics Science and Systems Conference for their invention of a baby jellyfish inspired soft millirobot with medical functions. Sitti also received the Rahmi Koç Medal of Science (2018), Best Paper Award in the Robotics Science and Systems Conference (2019), IEEE/ASME Best Mechatronics Paper Award (2014), SPIE Nanoengineering Pioneer Award (2011), Best Paper Award in the IEEE/RSJ Intelligent Robots and Systems Conference (1998, 2009), and NSF CAREER Award (2005). He is the editor in chief of both Progress in Biomedical Engineering and Journal of Micro Bio Robotics, and an associate editor for both Science Advances and Extreme Mechanics Letters. Sitti has published two books and over 460 peer reviewed papers, over 300 of which have appeared in archival journals. His group's research breakthroughs have been featured in the popular press, such as New York Times, Wall Street Journal, Le Monde, The Economist, Der Spiegel, Forbes, Süddeutsche Zeitung, Science, New Scientist Science News, Nature News, MIT Technology Review, IEEE Spectrum Magazine and Stuttgarter Zeitung. He has given over 200 invited keynote, plenary or distinguished seminars in universities, conferences and industry. He has over 12 issued patents and over 15 pending patents.

Кәсіпкерлік

Метин Ситти 2012 жылы АҚШ-тың Питтсбург қаласында Setex Technologies Inc. компаниясын іріктемемен құрды. Ол өзінің зертханасында жасалған, гекконнан шабыттанған микрофиберлі жабысқақ технологияны өнеркәсіптік қолдану салаларының кең спектрі үшін жаңа, революциялық жабысқақ материал ретінде (Setex® тауарлық белгісімен) коммерцияландыру мақсатымен құрды.