La robótica BEAM (de Biología, Electrónica, Estética y Mecánica) es un estilo de robótica que utiliza principalmente circuitos analógicos simples, como comparadores, en lugar de un microprocesador para producir un diseño inusualmente simple. Si bien no es tan flexible como la robótica basada en microprocesadores, la robótica BEAM puede ser robusta y eficiente para realizar la tarea para la cual fue diseñada.

Los robots BEAM pueden usar un conjunto de circuitos analógicos, que simulan neuronas biológicas, para facilitar la respuesta del robot a su entorno de trabajo.

Mecanismos y principios.
Los principios básicos de BEAM se centran en una capacidad basada en estímulo-respuesta dentro de una máquina. El mecanismo subyacente fue inventado por Mark W. Tilden donde el circuito (o una red Nv de neuronas Nv) se utiliza para simular comportamientos de neuronas biológicas. Ed Rietman realizó anteriormente una investigación similar en «Experimentos en redes neuronales artificiales». El circuito de Tilden a menudo se compara con un registro de desplazamiento, pero con varias características importantes que lo convierten en un circuito útil en un robot móvil.

Otras reglas que se incluyen (y en diversos grados aplicados):

Utilice el número más bajo posible de elementos electrónicos («hágalo simple»)
Reciclar y reutilizar tecnoscrap
Usa energía radiante (como la energía solar)

Hay una gran cantidad de robots BEAM diseñados para utilizar la energía solar de pequeños paneles solares para alimentar un «motor solar» que crea robots autónomos capaces de operar bajo una amplia gama de condiciones de iluminación. Además de la simple capa computacional de las «Redes Nerviosas» de Tilden, BEAM ha traído una multitud de herramientas útiles a la caja de herramientas del robotista. La comunidad BEAM ha documentado y compartido el circuito del «motor solar», muchos circuitos de puente en H para control de motores pequeños, diseños de sensores táctiles y técnicas de construcción de robots en mesoescala (del tamaño de una palma).

Robots BEAM
Al centrarse en los comportamientos «basados ​​en la reacción» (inspirados originalmente en el trabajo de Rodney Brooks), la robótica BEAM intenta copiar las características y comportamientos de los organismos biológicos, con el objetivo final de domesticar a estos robots «salvajes». La estética de los robots BEAM se deriva del principio «la forma sigue a la función» modulada por las elecciones de diseño particulares que realiza el constructor al implementar la funcionalidad deseada.

Disputas en el nombre
Varias personas tienen diferentes ideas sobre lo que realmente significa BEAM. El significado más aceptado es biología, electrónica, estética y mecánica.

Este término se originó con Mark Tilden durante una discusión en el Centro de Ciencias de Ontario en 1990. Mark estaba mostrando una selección de sus robots originales que había construido mientras trabajaba en la Universidad de Waterloo.

Sin embargo, hay muchos otros nombres semi-populares en uso, incluyendo:

Biotecnología Etología Analogía Morfología
Construyendo evolución anarquía modularidad

Microcontroladores
A diferencia de muchos otros tipos de robots controlados por microcontroladores, los robots BEAM se basan en el principio de usar múltiples comportamientos simples vinculados directamente a sistemas de sensores con poco acondicionamiento de señal. Esta filosofía de diseño se refleja en el libro clásico «Vehículos: Experimentos en psicología sintética». A través de una serie de experimentos de pensamiento, este libro explora el desarrollo de comportamientos de robots complejos a través de enlaces de sensores inhibitorios y de excitación simples a los actuadores. Los microcontroladores y la programación de computadoras generalmente no son parte de un robot BEAM tradicional (también conocido como «puro») debido a la filosofía de diseño centrado en el hardware de muy bajo nivel.

Hay diseños de robots exitosos que combinan las dos tecnologías. Estos «híbridos» satisfacen la necesidad de sistemas de control robustos con la flexibilidad agregada de la programación dinámica, como la topología BEAMbots de «caballo y jinete» (por ejemplo, el ScoutWalker 3). El comportamiento de «caballo» se implementa con la tecnología BEAM tradicional, pero un «piloto» basado en un microcontrolador puede guiar ese comportamiento para cumplir los objetivos del «piloto».

Los tipos
Hay varios BEAMbots de «cuerda», que intentan alcanzar un objetivo específico. De la serie, los fotótropos son los más frecuentes, ya que la búsqueda de luz sería el comportamiento más beneficioso para un robot con energía solar.

Los audiotropos reaccionan a las fuentes de sonido.
Los audiófilos van hacia las fuentes de sonido.
Los audiófobos se alejan de las fuentes de sonido.

Los fotótropos («buscadores de luz») reaccionan a las fuentes de luz.
Los fotófilos (también Photovores) van hacia las fuentes de luz.
Los fotófobos se alejan de las fuentes de luz.

Los radiotropos reaccionan a las fuentes de radiofrecuencia.
Los radiófilos van hacia las fuentes de radiofrecuencia.
Los radiofóbicos se alejan de las fuentes de radiofrecuencia.

Los termótropos reaccionan a las fuentes de calor.
Los termófilos van hacia las fuentes de calor.
Los termófobos se alejan de las fuentes de calor.

General
Los BEAMbots tienen una variedad de movimientos y mecanismos de posicionamiento. Éstos incluyen:

Sitters: robots inmóviles que tienen un propósito físicamente pasivo.
Balizas: transmite una señal (generalmente una señalización de navegación) para que la usen otros BEAMbots.
Pummers: mostrar un «espectáculo de luces».
Adornos: Un nombre para todos los asistentes que no son balizas o pummers.

Squirmers: robots estacionarios que realizan una acción interesante (generalmente moviendo algún tipo de extremidades o apéndices).
Magbots: utiliza campos magnéticos para su modo de animación.
Flagwavers: Mueve una pantalla (o «bandera») a una determinada frecuencia.
Cabezas: gire y siga algunos fenómenos detectables, como una luz (son populares en la comunidad BEAM. Pueden ser robots independientes, pero se incorporan más a menudo en un robot más grande).
Vibradores: use un pequeño motor de buscapersonas con un peso descentrado para sacudirse.

Deslizadores: Robots que se mueven deslizando partes del cuerpo suavemente a lo largo de una superficie mientras permanecen en contacto con él.
Serpientes: Muévete usando un movimiento de onda horizontal.
Lombrices de tierra: Muévete con un movimiento de onda longitudinal.

Rastreadores: robots que se mueven usando pistas o haciendo rodar el cuerpo del robot con algún tipo de apéndice. El cuerpo del robot no se arrastra en el suelo.
Rodaballo: enrolle todo el cuerpo con su (s) brazo (s) o flagelos.
Inchworms: Mueve parte de sus cuerpos hacia adelante, mientras que el resto del chasis está en el suelo.
Robots rastreados: Use ruedas sobre orugas, como un tanque.

Puentes: robots que se impulsan desde el suelo como medio de locomoción.
Vibrobots: producen un movimiento de agitación irregular moviéndose alrededor de una superficie.
Springbots: avanzar hacia adelante rebotando en una dirección particular.

Rodillos: robots que se mueven al rodar todo o parte de su cuerpo.
Symets: impulsado por un solo motor con su eje tocando el suelo, y se mueve en diferentes direcciones dependiendo de cuál de los varios puntos de contacto simétricos alrededor del eje están tocando el suelo.
Carretillas solares: vehículos que funcionan con energía solar que usan un solo motor que maneja una o más ruedas; a menudo diseñado para completar un curso bastante corto, recto y nivelado en el menor tiempo posible.
Poppers: Utilice dos motores con motores solares separados; Confíe en los sensores diferenciales para lograr un objetivo.
Miniballs: cambian su centro de masa, haciendo que sus cuerpos esféricos rueden.

Caminantes: robots que se mueven utilizando patas con contacto diferencial con el suelo.
Impulsado por motor: use motores para mover sus patas (normalmente 3 motores o menos).
Muscle Wire Driven: use cables de Nitinol (aleación de níquel – titanio) para sus actuadores de pierna.

Nadadores: robots que se mueven sobre o debajo de la superficie de un líquido (generalmente agua).
Boatbots: Operar en la superficie de un líquido.
Subbots: Operar bajo la superficie de un líquido.

Volantes: Robots que se mueven por el aire durante períodos prolongados.
Helicópteros: Use un rotor motorizado para proporcionar tanto la elevación como la propulsión.
Planos: Use alas fijas o batientes para generar sustentación.
Blimps: Use un globo de flotación neutra para el levantamiento.

Escaladores: robot que se mueve hacia arriba o hacia abajo en una superficie vertical, generalmente en una pista, como una cuerda o un cable.

Aplicaciones y progreso actual.
En la actualidad, los robots autónomos han tenido una aplicación comercial limitada, con algunas excepciones, como la aspiradora robótica iRobot Roomba y algunos robots para cortar el césped. La principal aplicación práctica de BEAM ha sido en la creación rápida de prototipos de sistemas de movimiento y aplicaciones de pasatiempo / educación. Mark Tilden ha utilizado con éxito BEAM para la creación de prototipos de productos para Wow-Wee Robotics, como lo demuestran BIOBug y RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug’n’Bots, JCM InVentures Inc. y PagerMotors.com también han traído al mercado el pasatiempo y los bienes educativos relacionados con BEAM. Vex también ha desarrollado Hexbugs, pequeños robots BEAM.

Los robotistas aspirantes a BEAM a menudo tienen problemas con la falta de control directo sobre los circuitos de control BEAM «puros». Se está trabajando para evaluar las técnicas biomórficas que copian los sistemas naturales porque parecen tener una ventaja de rendimiento increíble sobre las técnicas tradicionales. Hay muchos ejemplos de cómo los pequeños cerebros de los insectos son capaces de un rendimiento mucho mejor que los microelectrónicos más avanzados.

Otra barrera para la aplicación generalizada de la tecnología BEAM es la percepción aleatoria de la «red nerviosa», que requiere que el constructor aprenda nuevas técnicas para diagnosticar y manipular con éxito las características de los circuitos. Un think tank de académicos internacionales se reúne anualmente en Telluride, Colorado, para abordar este problema directamente, y hasta hace poco, Mark Tilden ha sido parte de este esfuerzo (tuvo que retirarse debido a sus nuevos compromisos comerciales con los juguetes Wow-Wee).

Al no tener memoria a largo plazo, los robots BEAM generalmente no aprenden de comportamientos pasados. Sin embargo, ha habido trabajo en la comunidad BEAM para abordar este problema. Uno de los robots BEAM más avanzados en este sentido es el Hider de Bruce Robinson, que tiene un impresionante grado de capacidad para un diseño sin microprocesador.

Publicaciones

Patentes

Patente de EE. UU. 613,809 – Método y aparato para controlar el mecanismo de vehículos o vehículos en movimiento – Patente «telautomaton» de Tesla; Primera puerta lógica.
Patente de Estados Unidos 5.325.031 – Sistemas nerviosos robóticos adaptativos y circuitos de control para los mismos – patente de Tilden; Un circuito de control de autoestabilización que utiliza circuitos de retardo de impulsos para controlar las extremidades de un robot con extremidades y un robot que incorpora dicho circuito; «neuronas» artificiales.

Libros y papeles

Conrad, James M. y Jonathan W. Mills, «Stiquito: experimentos avanzados con un robot simple y económico», El futuro de los robots andantes impulsados ​​con nitinol, Mark W. Tilden. Los Alamitos, California, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W., y Brosl Hasslacher, «Máquinas vivas». Laboratorio Nacional de Los Álamos, Los Álamos, NM 87545, EE. UU.
Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher, «El diseño de las máquinas biomédicas» vivas «: ¿Qué tan bajo se puede llegar?». Laboratorio Nacional de Los Álamos, Los Álamos, NM 87545, EE. UU.
Aún así, Susanne y Mark W. Tilden, «Controlador de una máquina para caminar con cuatro patas». ETH Zuerich, Instituto de Neuroinformática, y División de Biofísica, Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Braitenberg, Valentino, «Vehículos: Experimentos en psicología sintética», 1984. ISBN 0-262-52112-1
Rietman, Ed, «Experimentos en redes neuronales artificiales», 1988. ISBN 0-8306-0237-2
Tilden, Mark W. y Brosl Hasslacher, «Robótica y máquinas autónomas: la biología y la tecnología de los agentes autónomos inteligentes», documento de identificación de LANL: LA-UR-94-2636, primavera de 1995.
Dewdney, AK «Photovores: Los robots inteligentes se construyen a partir de Castoffs». Scientific American, septiembre de 1992, v267, n3, p42 (1)
Smit, Michael C., y Mark Tilden, «Beam Robotics». Algoritmo, vol. 2, n. ° 2, marzo de 1991, pág. 15-19.
Hrynkiw, David M. y Tilden, Mark W., «Junkbots, Bugbots y Bots on Wheels», 2002. ISBN 0-07-222601-3 (sitio web de soporte de libros)