La robotique BEAM (biologie, électronique, esthétique et mécanique) est un style de robotique qui utilise principalement des circuits analogiques simples, tels que des comparateurs, à la place d’un microprocesseur afin de produire une conception inhabituellement simple. Bien qu’elle ne soit pas aussi flexible que la robotique à microprocesseur, la robotique BEAM peut être robuste et efficace dans l’exécution de la tâche pour laquelle elle a été conçue.

Les robots BEAM peuvent utiliser un ensemble de circuits analogiques imitant les neurones biologiques pour faciliter la réponse du robot à son environnement de travail.

Mécanismes et principes
Les principes de base de BEAM se concentrent sur une capacité basée sur la réponse au stimulus dans une machine. Le mécanisme sous-jacent a été inventé par Mark W. Tilden, dans lequel le circuit (ou un réseau Nv de neurones Nv) est utilisé pour simuler les comportements de neurones biologiques. Ed Rietman avait déjà mené des recherches similaires dans « Experiments In Artificial Neural Networks ». Le circuit de Tilden est souvent comparé à un registre à décalage, mais avec plusieurs caractéristiques importantes qui en font un circuit utile dans un robot mobile.

Autres règles incluses (et appliquées à des degrés divers):

Utiliser le plus petit nombre possible d’éléments électroniques (« Keep it simple »)
Recycler et réutiliser le technoscrap
Utiliser de l’énergie rayonnante (telle que l’énergie solaire)

Il existe un grand nombre de robots BEAM conçus pour utiliser l’énergie solaire provenant de petits panneaux solaires afin d’alimenter un « moteur solaire » qui crée des robots autonomes capables de fonctionner dans une large gamme de conditions d’éclairage. Outre la simple couche informatique des « réseaux nerveux » de Tilden, BEAM a apporté une multitude d’outils utiles à la boîte à outils du robotiste. Le circuit « Solar Engine », de nombreux circuits en pont en H pour la commande de petits moteurs, la conception de capteurs tactiles et les techniques de construction de robots de taille moyenne (à la taille d’une paume) ont été documentés et partagés par la communauté BEAM.

Robots BEAM
S’appuyant sur des comportements « fondés sur la réaction » (inspirés à l’origine du travail de Rodney Brooks), la robotique BEAM tente de copier les caractéristiques et les comportements d’organismes biologiques, dans le but ultime de domestiquer ces robots « sauvages ». L’esthétique des robots BEAM découle du principe « la fonction suit la fonction » modulé par les choix de conception particuliers que le constructeur effectue tout en mettant en œuvre la fonctionnalité souhaitée.

Litiges au nom
Différentes personnes ont des idées divergentes sur ce que BEAM représente réellement. La signification la plus largement acceptée est la biologie, l’électronique, l’esthétique et la mécanique.

Ce terme a été créé par Mark Tilden au cours d’une discussion tenue au Centre des sciences de l’Ontario en 1990. Mark montrait une sélection de ses robots originaux qu’il avait construits alors qu’il travaillait à l’Université de Waterloo.

Cependant, de nombreux autres noms semi-populaires sont utilisés, notamment:

Biotechnologie Ethologie Analogie Morphologie
Modularité Anarchie Evolution du bâtiment

Microcontrôleurs
Contrairement à de nombreux autres types de robots contrôlés par des microcontrôleurs, les robots BEAM reposent sur le principe d’utilisation de plusieurs comportements simples liés directement à des systèmes de capteurs avec un conditionnement de signal faible. Cette philosophie de conception est étroitement évoquée dans le livre classique « Véhicules: expériences de psychologie synthétique ». À travers une série d’expériences de pensée, ce livre explore le développement de comportements de robot complexes à travers de simples liens de capteurs inhibiteurs et exciteurs vers les actionneurs. Les microcontrôleurs et la programmation informatique ne font généralement pas partie d’un robot BEAM traditionnel (autrement dit « pur ») en raison de la philosophie de conception très basique centrée sur le matériel.

Il existe des conceptions de robot réussies associant les deux technologies. Ces « hybrides » répondent à un besoin de systèmes de contrôle robustes avec la flexibilité supplémentaire de la programmation dynamique, comme la topologie « à cheval » (cavalier) « BEAMbots » (par exemple, le ScoutWalker 3). Le comportement «cheval» est mis en œuvre avec la technologie BEAM traditionnelle, mais un «cavalier» basé sur un microcontrôleur peut guider ce comportement de manière à atteindre les objectifs du «cavalier».

Les types
Il existe divers BEAMbots « -trope », qui tentent d’atteindre un objectif spécifique. De la série, les phototropes sont les plus répandus, car la recherche de la lumière serait le comportement le plus bénéfique pour un robot alimenté par l’énergie solaire.

Les audiotropes réagissent aux sources sonores.
Les audiophiles vont vers les sources sonores.
Les audiophobes s’éloignent des sources sonores.

Les phototropes (« chercheurs de lumière ») réagissent aux sources de lumière.
Les photophiles (également les photovores) vont vers les sources de lumière.
Les photophobes s’éloignent des sources de lumière.

Les radiotropes réagissent aux sources de fréquence radio.
Les radiophiles vont vers les sources RF.
Les radiophobes s’éloignent des sources RF.

Les thermotropes réagissent aux sources de chaleur.
Les thermophiles vont vers les sources de chaleur.
Les thermophobes s’éloignent des sources de chaleur.

Général
BEAMbots a une variété de mouvements et de mécanismes de positionnement. Ceux-ci inclus:

Sitters: Robots immobiles ayant un but physiquement passif.
Balises: Transmettez un signal (généralement un blip de navigation) que d’autres BEAMbots peuvent utiliser.
Pummers: Affiche un « spectacle de lumière ».
Ornements: Un nom fourre-tout pour les modèles qui ne sont ni des balises ni des pummers.

Squirmers: Robots fixes effectuant une action intéressante (généralement en déplaçant une sorte de membre ou d’appendice).
Magbots: utilisent des champs magnétiques pour leur mode d’animation.
Flagwavers: Déplacez un affichage (ou « drapeau ») à une certaine fréquence.
Têtes: faites pivoter et suivez certains phénomènes détectables, tels que la lumière (ceux-ci sont populaires dans la communauté BEAM. Ils peuvent être des robots autonomes, mais sont plus souvent incorporés dans un robot plus grand.).
Vibreurs: Utilisez un petit moteur de téléavertisseur avec un poids décentré pour se secouer.

Curseurs: Robots qui se déplacent en glissant des parties du corps sur une surface tout en restant en contact avec elle.
Serpents: Se déplacer en utilisant un mouvement d’onde horizontale.
Earthworms: Se déplacer en utilisant un mouvement d’onde longitudinale.

Crawlers: Robots qui se déplacent en utilisant des pistes ou en faisant rouler le corps du robot avec une sorte d’appendice. Le corps du robot n’est pas traîné sur le sol.
Turbots: Rouler tout leur corps en utilisant leurs bras ou leurs flagelles.
Inchworms: Déplacez une partie de leur corps en avant, pendant que le reste du châssis est au sol.
Robots à chenilles: utilisez des roues à chenilles, comme un char.

Jumpers: Robots qui se propulsent comme un moyen de locomotion.
Vibrobots: produisent un mouvement de secousses irrégulier qui se déplace autour d’une surface.
Springbots: Aller de l’avant en rebondissant dans une direction particulière.

Rollers: Robots qui bougent en faisant rouler tout ou partie de leur corps.
Symets: Entraînement utilisant un seul moteur avec son arbre touchant le sol et se déplaçant dans différentes directions en fonction des points de contact symétriques autour de l’arbre touchant le sol.
Solarrollers: voitures fonctionnant à l’énergie solaire utilisant un seul moteur entraînant une ou plusieurs roues; souvent conçu pour compléter un parcours assez court, droit et nivelé dans les délais les plus brefs.
Poppers: Utilisez deux moteurs avec des moteurs solaires séparés; compter sur des capteurs différentiels pour atteindre un objectif.
Miniballs: déplace leur centre de masse, faisant rouler leurs corps sphériques.

Marcheurs: Robots qui bougent en utilisant des jambes avec un contact différentiel avec le sol.
Motor Driven: Utilisez des moteurs pour déplacer leurs jambes (généralement 3 moteurs ou moins).
Muscle Wire Driven: utilisez des fils de Nitinol (alliage nickel-titane) pour leurs actionneurs de jambe.

Nageurs: Robots qui se déplacent sur ou sous la surface d’un liquide (généralement de l’eau).
Boatbots: Opérer à la surface d’un liquide.
Subbots: opèrent sous la surface d’un liquide.

Fliers: Robots qui se déplacent dans les airs pendant des périodes prolongées.
Hélicoptères: Utilisez un rotor motorisé pour assurer à la fois la portance et la propulsion.
Avions: Utilisez des ailes fixes ou battantes pour générer une portance.
Blimps: Utilisez un ballon à flottabilité neutre pour vous soulever.

Grimpeurs: Robot qui monte ou descend une surface verticale, généralement sur une piste telle qu’une corde ou un fil.

Applications et progrès en cours
À l’heure actuelle, les robots autonomes ont peu d’applications commerciales, à quelques exceptions près, comme l’aspirateur robot iRobot Roomba et quelques robots tondeuses à gazon. BEAM s’applique principalement au prototypage rapide de systèmes de mouvement et d’applications pour les loisirs et l’éducation. Mark Tilden a utilisé avec succès BEAM pour le prototypage de produits pour Wow-Wee Robotics, comme en témoignent BIOBug et RoboRaptor. Solarbotics Ltd., Bug’n’Bots, JCM InVentures Inc. et PagerMotors.com ont également mis sur le marché des produits de loisirs et d’éducation liés à BEAM. Vex a également développé Hexbugs, de minuscules robots BEAM.

Les aspirants robots de BEAM ont souvent des problèmes avec le manque de contrôle direct sur les circuits de contrôle « purs » de BEAM. Des travaux sont en cours pour évaluer les techniques biomorphiques qui copient les systèmes naturels, car elles semblent présenter un avantage incroyable en termes de performances par rapport aux techniques traditionnelles. Il existe de nombreux exemples montrant à quel point le cerveau d’insectes est capable de performances bien meilleures que celles de la microélectronique la plus avancée.

Un autre obstacle à une application généralisée de la technologie BEAM est la nature aléatoire perçue du «réseau nerveux», qui oblige le constructeur à apprendre de nouvelles techniques pour diagnostiquer et manipuler avec succès les caractéristiques du circuit. Un groupe de réflexion d’universitaires internationaux se réunit chaque année à Telluride, au Colorado, pour aborder directement cette question. Jusqu’à récemment, Mark Tilden faisait partie de cet effort (il a dû se retirer en raison de ses nouveaux engagements commerciaux avec Wow-Wee toys).

N’ayant pas de mémoire à long terme, les robots BEAM n’apprennent généralement pas du comportement passé. Cependant, la communauté BEAM a travaillé pour résoudre ce problème. L’un des robots BEAM les plus avancés dans ce domaine est le Hider de Bruce Robinson, qui offre une capacité impressionnante de conception sans microprocesseur.

Des publications

Les brevets

Brevet US 613,809 – Méthode et appareil de contrôle du mécanisme de véhicule ou de véhicules en mouvement – Brevet « telautomaton » de Tesla; Première porte logique.
Brevet US 5 325 031 – Systèmes nerveux robotiques adaptatifs et circuits de commande correspondants – brevet de Tilden; Circuit de commande auto-stabilisant utilisant des circuits à retard d’impulsion pour commander les membres d’un robot à membres, et robot intégrant un tel circuit; « neurones » artificiels.

Livres et papiers

Conrad, James M. et Jonathan W. Mills, « Stiquito: expériences avancées avec un robot simple et peu coûteux », L’avenir des robots marcheurs à propulsion nitinol, Mark W. Tilden. Los Alamitos, Calif., Presse de la société IEEE Computer Society, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W. et Brosl Hasslacher, « Machines vivantes ». Laboratoire national de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, États-Unis.
Tilden, Mark W. et Brosl Hasslacher, « La conception de machines biotechnologiques » vivantes: à quel point peut-on descendre? «  ». Laboratoire national de Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, États-Unis.
Toujours, Susanne et Mark W. Tilden, « Contrôleur pour une machine à marcher à quatre pattes ». ETH Zuerich, Institut de neuroinformatique et division biophysique, Laboratoire national de Los Alamos.
Braitenberg, Valentino, « Véhicules: expériences de psychologie synthétique », 1984. ISBN 0-262-52112-1
Rietman, Ed, « Experiments In Artificial Neural Networks », 1988. ISBN 0-8306-0237-2
Tilden, Mark W. et Brosl Hasslacher, « Robotique et machines autonomes: la biologie et la technologie des agents autonomes intelligents », LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, printemps 1995.
Dewdney, AK « Photovores: des robots intelligents sont construits à partir de Castoffs ». Scientific American sept. 1992, v267, n3, p42 (1)
Smit, Michael C. et Mark Tilden, « Beam Robotics ». Algorithm, Vol. 2, n ° 2, mars 1991, pages 15 à 19.
Hrynkiw, David M. et Tilden, Mark W., « Junkbots, Bugbots, and Bots on Wheels », 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Site Web d’assistance de livre)