Maszyny z klocków: nadchodzą meta-roboty. W czym nam pomogą?

Roboty już dawno opanowały fabryki, a według różnych prognoz, m.in. dzięki intensywnym pracom nad humanoidalnymi maszynami, mają na dobre zagościć także w domach, szpitalach, urzędach czy na ulicach. Jednak w wielu miejscach humanoidy czy nawet bardziej wymyślne maszyny mogą sobie nie poradzić – np. na gruzowisku czy w różnych sceneriach naturalnego środowiska. Odpowiedzią mają być meta-roboty. To maszyny, które składają się z wielu mniejszych robotów łączących się ze sobą w jedno urządzenie.

Robo-ręka jak z horroru

Naukowcy z Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL) skonstruowali wynalazek, który wygląda, jakby był efektem inspiracji „Rodziną Adamsów”. Mowa o cybernetycznej dłoni, która w razie potrzeby potrafi odłączać się od ciała robota, podobnie do pająka przemieszczać się na palcach i wykonywać zdalnie różne zadania. Może na przykład chwycić i przynieść jakiś oddalony przedmiot.

Już przy pięciu palcach urządzenie może odtworzyć większość ruchów ludzkiej dłoni – zaznaczają naukowcy, a liczbę palców można łatwo zwiększyć. „Nasze urządzenie niezawodnie i płynnie wykonuje tzw. loco-manipulation, czyli manipulację obiektami w miejscu połączoną z autonomicznym przemieszczaniem się. Jak sądzimy, ma to duży potencjał w robotyce przemysłowej, usługowej i eksploracyjnej” – mówi Aude Billard, konstruktorka robota. Inżynierowie mówią, że inspirowali się naturą.

„U wielu organizmów wyewoluowały wszechstronne kończyny, które płynnie przełączają się między różnymi funkcjami, takimi jak chwytanie i poruszanie się. Na przykład ośmiornica używa swoich elastycznych ramion zarówno do pełzania po morskim dnie, jak i do otwierania muszli, natomiast w świecie owadów modliszka wykorzystuje wyspecjalizowane kończyny do lokomocji i chwytania zdobyczy” – tłumaczy prof. Billard.

Wynalazek może mieć liczne zastosowania, szczególnie w miejscach, które wymagają niewielkich rozmiarów robota, zdolności do adaptacji i wielomodalnego działania – twierdzą jego twórcy. Wymieniają np. wydobywanie przedmiotów z trudno dostępnych, ciasnych przestrzeni czy zwiększanie zasięgu tradycyjnych ramion przemysłowych. Choć proponowana dłoń sama w sobie nie ma antropomorficznej budowy, badacze uważają, że można ją zaadaptować także do protez dla ludzi.

Meta-maszyna z ewolucji w AI

Zespół z Northwestern University opracował natomiast robota, którego kształt bardzo trudno opisać – w swojej większej formie przypomina skrzyżowanie gąsienicy z pająkiem. Tworzą go proste, wyposażone w nogi moduły, które mogą się ze sobą łączyć w różne konfiguracje. Pozwala to na uzyskiwanie teoretycznie nieskończonej liczby kombinacji. Każdy element to tak naprawdę niezależny robot z własnym napędem, zasilaniem i komputerem. Samodzielnie może się toczyć, obracać i skakać, a kiedy połączy się ich kilka, maszyna zyskuje nowe możliwości.

Choć ruch nietypowych robotów wygląda na chaotyczny, to jest w nim ukryty porządek. W testach terenowych, meta-maszyny o kilku kończynach poruszały się po nierównym podłożu, m.in. po żwirze, trawie, korzeniach drzew, liściach, piasku, błocie i nierówno ułożonych cegłach. Skakały, obracały się i same wracały do właściwej pozycji po przewróceniu – wszystko to bez skomplikowanej konfiguracji ani szczegółowego uczenia.

Z takimi zadaniami radzą sobie oczywiście także tradycyjne roboty. Jednak – uwaga – w przeciwieństwie do znanych powszechnie maszyn, które zawodzą, gdy zepsuje się pojedyncza część, w meta-robocie pozostałe elementy odpowiednio dostosują się do nowej sytuacji. Co więcej – podkreślają naukowcy – oderwana noga może nawet dotoczyć się do maszyny i ponownie do niej dołączyć.

„Robot potrafi wyczuwać otoczenie, przemieszczać się z miejsca na miejsce, wykonywać obliczenia i uczyć się. Meta-maszyny można szybko składać, naprawiać, przeprojektowywać i łączyć w nowe konfiguracje. Po złożeniu od razu same poruszają się po bardzo różnych, nieustrukturyzowanych środowiskach” – mówi kierujący pracami Sam Kriegma.

Warto przy okazji zwrócić uwagę, jak powstał projekt tych nietypowych urządzeń. To w dużej mierze dzieło sztucznej inteligencji. Jak wyjaśniają twórcy wynalazku, AI zamiast trzymać się standardowych konstrukcji przypominających np. psa lub człowieka, przeprowadziła wirtualną ewolucję różnych kształtów, stosując dobór naturalny podobny do tego, jaki on działa w biologii. Jako punkt wyjścia badacze wprowadzili do algorytmu proste elementy konstrukcyjne – półmetrowe, modułowe nogi wyglądające jak para prętów połączonych centralną kulą.

„Wewnątrz kuli robot ma wszystko, czego potrzebuje, by przetrwać: ‘układ nerwowy’, ‘metabolizm’ i ‘mięśnie’. Mam na myśli płytkę drukowaną, baterię i silnik. Moduły są mechanicznie proste, mogą obracać się tylko wokół jednej osi, ale są zaskakująco sprawne i inteligentne” – wyjaśnia prof. Kriegma.

Algorytm, wprowadzając „mutacje” do kolejnych konstrukcji generował nowe typy ciał robota, a następnie symulował każdą konstrukcję, zachowując najlepiej działające rozwiązania i odrzucając słabsze. W zależności od budowy robota modułowe elementy stawały się nogami, kręgosłupami albo ogonami.

„Symulowaliśmy darwinowski proces mutacji i selekcji w wirtualnym środowisku fizycznym. Działa zasada przetrwania najlepiej przystosowanych – przyspieszona przez komputery i urzeczywistniona dzięki sprawnym, modułowym elementom konstrukcyjnym” – wyjaśnia naukowiec.

Robotyczny socjalizm

Meta-maszyny mogą mieć jeszcze jedną szczególną zaletę, co pokazuje robot również opracowany przez ekspertów z EPFL. Składa się on z podjednostek, które dzielą między sobą swoje zasoby takie jak zasilanie, czujniki i komunikacja. To daje mu niezwykłą odporność na awarie – nawet gdy jedna z podjednostek straci wszystkie te zasoby, nadal może zachować praktycznie pełną funkcjonalność. Maszyna, w obecnej, eksperymentalnej postaci składa się z czterech podobnych do siebie trójkątnych elementów. Działanie wszystkich jest potrzebne, aby robot mógł np. chodzić. Kiedy naukowcy wyłączyli zasilanie, łączność i sensory w centralnej, najważniejszej jednostce, zaczęła ona korzystać z zasobów jednostek sąsiednich, a robot działał, jakby nic złego go nie spotkało.

Naukowcy tłumaczą, że ograniczenie ryzyka awarii do minimum jest jednym z najważniejszych priorytetów przy projektowaniu robotów. W tym miejscu pojawia się jednak sprzeczność – polega ona na tym, że roboty złożone z wielu jednostek mogą wykonywać bardziej zróżnicowane funkcje, ale więcej części oznacza większe ryzyko awarii. Modułowe podejście z dzieleniem zasobów rozwiązuje ten problem.

„Po raz pierwszy znaleźliśmy sposób, by odwrócić trend polegający na tym, że wraz ze wzrostem funkcjonalności rośnie prawdopodobieństwo awarii. Wprowadzamy lokalne współdzielenie zasobów jako nowy paradygmat w robotyce zmniejszający wskaźnik awaryjności przy większej liczbie modułów” – podkreśla Jamie Paik twórca urządzenia.

Jego zespół również wzorował się na pomysłach przyrody. Badacze zwracają uwagę, że np. ptaki dzielą się lokalnymi informacjami sensorycznymi poprzez zachowanie stadne, niektóre drzewa przekazują sąsiadom sygnały o zagrożeniach za pomocą substancji unoszących się w powietrzu, a komórki nieustannie transportują składniki odżywcze przez swoje błony, dzięki czemu śmierć pojedynczej komórki nie wpływa znacząco na cały organizm. Według naukowców przyszłe prace mogłyby się skupić na zastosowaniu ich koncepcji w bardziej złożonych systemach, z coraz większą liczbą podjednostek. Ponadto nowe podejście można będzie zastosować w rojach oddzielnych robotów, które mogłyby łączyć się ze sobą w celu przekazywania energii i informacji.

Jedzący robot

Eksperci od meta-maszyn na Columbia University mówią tymczasem o „metabolizmie robotów”. Stworzony przez tych naukowców system składa się z prostych modułów o nazwie Truss Link – aktywnych elementów przypominających pręty, które mogą się wydłużać, kurczyć i łączyć z innymi modułami za pomocą magnetycznych złączy. Dzięki temu pojedyncze podjednostki mogą tworzyć większe struktury zmieniać ich kształt, a nawet „wchłaniać” kolejne tego typu części ze swojego otoczenia czy pochodzące od innych robotów. Chodzi o mechaniczne włączanie do swojej struktury i wykorzystywanie dodatkowych modułów.

W doświadczeniach badacze pokazali m.in., jak prosta dwuwymiarowa struktura może w prosty sposób przejść od dwuwymiarowego układu do postaci trójwymiarowego robota, a następnie dołączyć do siebie kolejny element i znacząco zwiększyć swoją prędkość. Inny eksperyment pokazał z kolei, jak jeden robot o złożonej formie pomagał przyjąć podobną postać innemu urządzeniu. Roboty takie mogą się w podobny sposób także naprawiać. W jednym z testów maszyna pozbyła się elementu z rozładowaną baterią i wymieniła go na nową część.

Ten zespół naukowców zwraca też uwagę na kluczową rolę AI w działaniu ich wynalazku. Jak mówią „roboty dają nogi sztucznej inteligencji”, dodają też, że „za pośrednictwem adaptujących się do środowiska ciał robotów, AI może w przyszłości wspierać nas w eksploracji oceanicznych głębin, ratować życia w przypadku naturalnych katastrof, pomóc w kolonizacji innych planet i wspierać ludzi w codziennym życiu”. Autorzy widzą w tym krok w stronę nowego rodzaju maszyn, które nie tylko się uczą, ale też rosną.

Być może więc przyszłość robotyki nie należy do maszyn, które coraz lepiej udają ludzi, ale do takich, które w ogóle przestaną przypominać znane nam urządzenia. Będą raczej technicznymi organizmami złożonymi z wielu części, zdolnymi do przebudowy, naprawy, współpracy i wzrostu. Dzisiaj wyglądają jeszcze jak laboratoryjne ciekawostki – cybernetyczne dłonie, robotyczne klocki, mechaniczne „organizmy” z prętów i modułów. Ale to właśnie z takich dziwnych form może wyłonić się nowa generacja maszyn lepiej przygotowanych do świata, który rzadko bywa uporządkowany jak fabryczna hala.

Źródło zdjęcia: Columbia Engineering