A robótica BEAM (de Biologia, Eletrônica, Estética e Mecânica) é um estilo de robótica que usa principalmente circuitos analógicos simples, como comparadores, em vez de um microprocessador para produzir um design incomumente simples. Embora não seja tão flexível quanto a robótica baseada em microprocessador, a robótica BEAM pode ser robusta e eficiente na execução da tarefa para a qual foi projetada.

Os robôs BEAM podem usar um conjunto de circuitos analógicos, imitando os neurônios biológicos, para facilitar a resposta do robô ao seu ambiente de trabalho.

Mecanismos e Princípios
Os princípios básicos do BEAM concentram-se em uma habilidade baseada em estímulo-resposta dentro de uma máquina. O mecanismo subjacente foi inventado por Mark W. Tilden, onde o circuito (ou uma rede Nv de neurônios Nv) é usado para simular comportamentos de neurônios biológicos. Alguma pesquisa semelhante foi previamente feita por Ed Rietman em ‘Experiments In Artificial Neural Networks’. O circuito de Tilden é frequentemente comparado a um registrador de deslocamento, mas com várias características importantes, tornando-o um circuito útil em um robô móvel.

Outras regras incluídas (e em graus variados aplicados):

Use o menor número possível de elementos eletrônicos (“mantenha simples”)
Reciclar e reutilizar o technoscrap
Use energia radiante (como energia solar)

Há um grande número de robôs BEAM projetados para usar energia solar a partir de pequenos painéis solares para alimentar um “Motor Solar”, que cria robôs autônomos capazes de operar sob uma ampla gama de condições de iluminação. Além da simples camada computacional das “Redes Nervosas” da Tilden, o BEAM trouxe uma infinidade de ferramentas úteis para a caixa de ferramentas do roboticista. O circuito “Solar Engine”, muitos circuitos de pontes H para controle de motores pequenos, projetos de sensores táteis e técnicas de construção de robôs em meso porte (do tamanho da palma da mão) foram documentados e compartilhados pela comunidade BEAM.

Robôs BEAM
Estando focado em comportamentos “baseados em reação” (como originalmente inspirados no trabalho de Rodney Brooks), a robótica BEAM tenta copiar as características e comportamentos de organismos biológicos, com o objetivo final de domesticar esses robôs “selvagens”. A estética dos robôs BEAM deriva do princípio “form follows function” modulado pelas escolhas de projeto particulares que o construtor faz ao implementar a funcionalidade desejada.

Disputas no nome
Várias pessoas têm idéias variadas sobre o que o BEAM realmente representa. O significado mais amplamente aceito é Biologia, Eletrônica, Estética e Mecânica.

Esse termo surgiu com Mark Tilden durante uma discussão no Ontario Science Center em 1990. Mark estava exibindo uma seleção de seus bots originais que ele havia construído enquanto trabalhava na Universidade de Waterloo.

No entanto, existem muitos outros nomes semi-populares em uso, incluindo:

Biotecnologia Etologia Analogia Morfologia
Construindo a modularidade da anarquia da evolução

Microcontroladores
Ao contrário de muitos outros tipos de robôs controlados por microcontroladores, os robôs BEAM são construídos sob o princípio de usar múltiplos comportamentos simples ligados diretamente a sistemas de sensores com pouco condicionamento de sinal. Esta filosofia de design está intimamente ecoada no livro clássico “Veículos: Experiências em Psicologia Sintética”. Por meio de uma série de experimentos mentais, este livro explora o desenvolvimento de comportamentos complexos de robôs por meio de simples links de sensores inibitórios e excitatórios para os atuadores. Microcontroladores e programação de computadores geralmente não fazem parte de um robô BEAM tradicional (também conhecido como “puro”) devido à filosofia de projeto centrada em hardware de muito baixo nível.

Existem projetos de robôs de sucesso que combinam as duas tecnologias. Esses “híbridos” preenchem a necessidade de sistemas de controle robustos com a flexibilidade adicional da programação dinâmica, como a topologia BEAMbots “horse-and-rider” (por exemplo, o ScoutWalker 3). Comportamento ‘Horse’ é implementado com a tecnologia tradicional BEAM, mas um ‘piloto’ baseado em microcontrolador pode guiar esse comportamento de forma a atingir os objetivos do ‘piloto’.

Tipos
Existem vários BEAMbots “-trope”, que tentam atingir um objetivo específico. Da série, os fototrópicos são os mais prevalentes, pois a busca de luz seria o comportamento mais benéfico para um robô movido a energia solar.

Os audiotropos reagem às fontes de som.
Os audiófilos vão para fontes sonoras.
Os audiófobos desaparecem das fontes de som.

Fotóforos (“buscadores da luz”) reagem às fontes de luz.
Fotófilos (também Photovores) vão em direção a fontes de luz.
Os fotofóbicos desaparecem das fontes de luz.

Os radiotropos reagem a fontes de radiofrequência.
Radiófilos vão em direção a fontes de RF.
Os radiofóbicos desaparecem das fontes de RF.

Os termotrópicos reagem às fontes de calor.
Os termófilos vão em direção às fontes de calor.
Os termofóbicos desaparecem das fontes de calor.

Geral
Os BEAMbots têm uma variedade de movimentos e mecanismos de posicionamento. Esses incluem:

Assistentes: robôs sem movimento que têm um objetivo fisicamente passivo.
Beacons: Transmite um sinal (geralmente um aviso de navegação) para outros BEAMbots usarem.
Pummers: Exibe um “show de luzes”.
Ornamentos: Um nome completo para os assistentes que não são balizas ou revólveres.

Squirmers: robôs estacionários que realizam uma ação interessante (geralmente movendo alguns tipos de membros ou apêndices).
Magbots: use campos magnéticos para o seu modo de animação.
Flagwavers: Mover um display (ou “flag”) em torno de uma certa freqüência.
Cabeças: Gire e siga alguns fenômenos detectáveis, como uma luz (eles são populares na comunidade BEAM. Eles podem ser robôs autônomos, mas são mais frequentemente incorporados a um robô maior).
Vibradores: use um pequeno motor de pager com um peso descentrado para agitar-se.

Sliders: Robôs que se movem deslizando as partes do corpo suavemente ao longo de uma superfície, permanecendo em contato com ela.
Cobras: mova usando um movimento de onda horizontal.
Minhocas: mova-se usando um movimento de onda longitudinal.

Crawlers: robôs que se movem usando trilhas ou rolando o corpo do robô com algum tipo de apêndice. O corpo do robô não é arrastado no chão.
Turbots: Role seus corpos inteiros usando seu (s) braço (s) ou flagelos.
Inchworms: mova parte de seus corpos à frente, enquanto o resto do chassi está no chão.
Robôs rastreados: use rodas de lagartas, como um tanque.

Jumpers: Robôs que se movem do chão como um meio de locomoção.
Vibrobots: Produz um movimento de agitação irregular movendo-se em torno de uma superfície.
Springbots: Avance saltando em uma direção específica.

Rolos: Robôs que se movem rolando todo ou parte do corpo.
Symets: Dirigido usando um único motor com seu eixo tocando o solo, e se move em direções diferentes, dependendo de quais dos vários pontos de contato simétricos em torno do eixo estão tocando o solo.
Solarrollers: Carros movidos a energia solar que usam um único motor acionando uma ou mais rodas; muitas vezes projetado para completar um curso razoavelmente curto, reto e nivelado no menor tempo possível.
Poppers: Use dois motores com motores solares separados; confiar em sensores diferenciais para atingir um objetivo.
Miniballs: Deslocam seu centro de massa, fazendo com que seus corpos esféricos rolem.

Caminhantes: Robôs que se movem usando pernas com contato diferencial no solo.
Acionado por motor: use motores para mover suas pernas (normalmente 3 motores ou menos).
Condutores de Fio Muscular: use fios de Nitinol (liga de níquel-titânio) para seus atuadores de perna.

Nadadores: Robôs que se movem sobre ou abaixo da superfície de um líquido (normalmente água).
Boatbots: operar na superfície de um líquido.
Subbots: opera sob a superfície de um líquido.

Panfletos: Robôs que se movem pelo ar por períodos prolongados.
Helicópteros: Use um rotor motorizado para fornecer elevação e propulsão.
Planos: Use asas fixas ou agitadas para gerar sustentação.
Blimps: Use um balão de flutuação neutra para levantar.

Montanhistas: Robô que se move para cima ou para baixo em uma superfície vertical, geralmente em uma pista, como uma corda ou arame.

Aplicações e progresso atual
Atualmente, os robôs autônomos têm uma aplicação comercial limitada, com algumas exceções, como o aspirador robótico iRobot Roomba e alguns robôs para cortar grama. A principal aplicação prática do BEAM tem sido na rápida prototipagem de sistemas de movimento e aplicações de hobby / educação. Mark Tilden usou com sucesso o BEAM para a prototipagem de produtos da Wow-Wee Robotics, como evidenciado pelo BIOBug e pelo RoboRaptor. A Solarbotics Ltd., a Bug’n’Bots, a JCM InVentures Inc. e a PagerMotors.com também trouxeram para o mercado o passatempo relacionado com o BEAM e os bens educacionais. A Vex também desenvolveu Hexbugs, minúsculos robôs BEAM.

Os roboticistas aspirantes do BEAM geralmente têm problemas com a falta de controle direto sobre circuitos de controle BEAM “puros”. Há trabalhos em andamento para avaliar técnicas biomórficas que copiam sistemas naturais porque eles parecem ter uma incrível vantagem de desempenho em relação às técnicas tradicionais. Há muitos exemplos de como minúsculos cérebros de insetos são capazes de desempenho muito melhor do que os microeletrônicos mais avançados.

Outra barreira à aplicação generalizada da tecnologia BEAM é a natureza aleatória percebida da ‘rede nervosa’, que requer que novas técnicas sejam aprendidas pelo construtor para diagnosticar e manipular com sucesso as características do circuito. Um think tank de acadêmicos internacionais se reúne anualmente em Telluride, Colorado, para abordar essa questão diretamente, e até recentemente, Mark Tilden fazia parte desse esforço (ele teve que se retirar devido a seus novos compromissos comerciais com os brinquedos da Wow-Wee).

Sem memória de longo prazo, os robôs BEAM geralmente não aprendem com o comportamento passado. No entanto, tem havido trabalho na comunidade BEAM para resolver este problema. Um dos robôs BEAM mais avançados nesse sentido é o Hider, da Bruce Robinson, que possui um grau impressionante de capacidade para um design sem microprocessador.

Publicações

Patentes

Patente dos EUA 613,809 – Método e Aparelho para o Mecanismo de Controlo de Veículos em Movimento ou Veículos – Patente “telautomaton” da Tesla; Primeiro portão lógico.
Patente dos EUA 5.325.031 – Sistemas nervosos robóticos adaptativos e circuitos de controle para os mesmos – patente de Tilden; Um circuito de controle auto-estabilizante usando circuitos de retardo de pulso para controlar os membros de um robô com pernas e um robô que incorpora esse circuito; “neurônios” artificiais.

Livros e papeis

Conrad, James M. e Jonathan W. Mills, “Stiquito: experimentos avançados com um robô simples e barato”, O futuro dos robôs ambulantes propulsionados com nitinol, Mark W. Tilden. Los Alamitos, Califórnia, IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3
Tilden, Mark W. e Brosl Hasslacher, “Máquinas Vivas”. Laboratório Nacional Los Alamos, Los Alamos, NM 87545, EUA.
Tilden, Mark W. e Brosl Hasslacher, “O Projeto de Viver” Biomech Machines: Quão baixo pode ir? “” Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, EUA.
Ainda assim, Susanne e Mark W. Tilden, “Controlador de uma máquina ambulante de quatro patas”. ETH Zuerich, Instituto de Neuroinformática e Divisão de Biofísica, Laboratório Nacional Los Alamos.
Braitenberg, Valentino, “Veículos: Experiências em Psicologia Sintética”, 1984. ISBN 0-262-52112-1
Rietman, Ed, “Experimentos em Redes Neurais Artificiais”, 1988. ISBN 0-8306-0237-2
Tilden, Mark W., e Brosl Hasslacher, “Robótica e Máquinas Autônomas: A Biologia e a Tecnologia de Agentes Inteligentes Autônomos”, LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, primavera de 1995.
Dewdney, AK “Photovores: robôs inteligentes são construídos a partir de descartes”. Scientific American Sept 1992, v267, n3, p42 (1)
Smit, Michael C. e Mark Tilden, “Beam Robotics”. Algoritmo, vol. 2, n ° 2, março de 1991, pg 15-19.
Hrynkiw, David M. e Tilden, Mark W., “Bots, Bugbots e Bots on Wheels”, 2002. ISBN 0-07-222601-3 (site de suporte do livro)