211service.com
Rītdienas robotu veidošana
MIT datorzinātniece Daniela Rusa sapņo par mūsu robotu pilno nākotni. 2017. gada 24. oktobris
Džošs Metjūss
Kad Brendons Araki 2015. gadā ieradās MIT kā mašīnbūves maģistra kandidāts, viņš paņēma līdzi pikobugu — mazu robotu, kas var lidot, rāpot un satvert mazus priekšmetus. Pirms Araki pievienojās Daniela Rus Distributed Robotics Lab (DRL), viņš kopā ar līdzstrādniekiem vairākās universitātēs strādāja pie mazas autonomās mašīnas, kas sver 30 gramus un ietilps viņa plaukstā. Viņš nebija īsti pārliecināts, ko varētu darīt tālāk ar pikobugu, taču, kad viņa jaunais priekšnieks to vēroja darbībā, viņa bija satriekta. Es gribu tos simts! Rus teica.
Šis lūgums nebija tikai mantkārīgs uztraukums. Rus, kurš ir Datorzinātnes un mākslīgā intelekta laboratorijas (CSAIL) direktors, iztēlojas nākotni, kas piepildīta ar autonomām mašīnām, kas spēj lidot, vadīt, veikt vienkāršas operācijas un daudz ko citu. Mans lielais sapnis ir pasaule ar visaptverošām mašīnām, visaptverošu robotiku, kas integrēta ikdienas dzīvē, palīdzot ikvienam veikt fizisko darbu un izziņas uzdevumus, viņa saka.
Projektā, kura mērķis bija izstrādāt drukājamus, viegli uzbūvējamus robotus, tika izgatavoti šie funkcionālie roboti, kas izgatavoti no apdrukātas plastmasas.
Araki projekta gadījumā viņa paredz lielāku autonomu bezpilota lidaparātu parku, kas zibens ap pilsētu, piegādājot pakas. Bet tā ir tikai viena no desmitiem Rus un viņas pētnieku izstrādāto sistēmu, kas varētu ietekmēt daudzas ikdienas dzīves jomas. Nesen viņi ir demonstrējuši tabletes izmēra robotus, kas var pārvietoties ķermenī, lai labotu iekšējās brūces. Viņi ir ieprogrammējuši dronus savienošanai ar pašbraucošām automašīnām, lidojot uz priekšu un skenējot aklās zonas. Viņi ir izstrādājuši jaunas saziņas metodes un drošības modeļus vairāku robotu sistēmām. Viņas laboratorija ir izstrādājusi jaunu robotu roku, 3-D drukātu zivi, kas peld kā īsta, valkājamu navigācijas sistēmu neredzīgiem cilvēkiem, triecienu absorbējošas robotu ādas un daudz ko citu.
Rus, 2002. gada MacArthur ģēnija stipendijas ieguvēja, par viņu ir ieguvusi pasaules atzinību novatorisks darbs modulāros un pārkonfigurējamos robotos, vairāku robotu sistēmās un vadības algoritmos. Viņa ir Nacionālā Zinātnes fonda karjeras balvas ieguvēja un Mākslīgā intelekta attīstības asociācijas, IEEE, AAAS un Alfrēda P. Slouna fonda biedre, lai minētu tikai dažus no viņas apbalvojumiem. Daudzas lietas, ko viņa ir darījusi, sākumā izskatās pēc burvības, jo tās ir ģeniālās idejas, par kurām neviens nav ienācis prātā, saka robotiķis Hods Lipsons no Kolumbijas universitātes. Viņa ir priekšā savam laikam.
Un viņas skolēni mācās dalīties ar viņas izdomas pilno, bet stingro pieeju robotikai. Kopā ar citiem līdzstrādniekiem viņa un viņas studenti prezentēja 15 referātus 2017. gada IEEE starptautiskajā konferencē par robotiku un automatizāciju Singapūrā, aptverot visas jomas, sākot no jauniem algoritmiem līdz jauniem aparatūras veidiem. Tā ir neticami produktīva laboratorija, un tās patiešām ražo dažādus projektus, kuri visi ir radoši un risina kādu problēmu tik stabili, saka Hārvardas universitātes datorzinātnieks Radhika Nagpal. Viena lieta ir matemātikas tehniskais skaistums viņas darbā, taču viņas būvētajos robotos ir arī liels tehniskais skaistums. Ir neparasti sasniegt abus. Sasniegt abus tik dažādās jomās, kā viņa to dara, ir pilnīgi neparasti.
Krievijas laboratorijas plauktos rindojas dažādi origami iedvesmoti roboti no vairākiem projektiem. Vairākas ir pašlocītas.
Ķermenis un smadzenes
54 gadus vecā Rusa ir dzimusi un augusi komunistiskajā Rumānijā, kur viņas interese par fantastiskajām tehnoloģijām radās jau agrā bērnībā. Viņas tēvs bija datorzinātnieks, un viņu piesaistīja sīkrīki Zvaigžņu ceļš , Žila Verna tehnoloģija un neparasta holandiešu multfilma, Barbapapa , kurā bija redzama formu mainošu lāsumu saime, tostarp izgudrotājs, kurš uzbūvēja pārsteidzošas iekārtas. Pēc tam, kad viņas ģimene emigrēja uz ASV, viņa studēja datorzinātnes un matemātiku Aiovas Universitātē un pēc tam ieguva doktora grādu pie slavenā datorzinātņu teorētiķa Džona Hopkrofta Kornela universitātē. (Džona teica, ka daudzi klasiskie algoritmi ir atrisināti un ka tagad ir pienācis laiks lielajām lietojumprogrammām, viņa atceras. Un viņam lielās lietojumprogrammas nozīmēja robotiku.) Tomēr viņa izstrādāja algoritmus, kas palīdz robotiem uztvert un manipulēt ar objektiem. savam doktora pētījumam viņa atklāja, ka robotu sistēmu iespējas astoņdesmito gadu beigās un 90. gadu sākumā neatbilst viņas bērnības zinātniskās fantastikas vīzijām. Viņa atceras, ka man bija šie skaistie algoritmi, kas simulācijā darbojās ļoti labi, taču nebija robotu pirkstu, kas varētu iedarbināt tādus spēkus un griezes momentus, kādi bija nepieciešami maniem algoritmiem.
Pēc Kornela Rus kļuva par datorzinātņu profesori Dartmutas koledžā, kur viņa nodibināja Dartmouth Robotics Lab. Viņa jau bija strādājusi pie robotu komandām, kas darbojas koncertā, un paplašināja savu uzmanību, iekļaujot modulārus, pašizveidojošus robotus, kas varētu pieņemt dažādas formas un formas — līdzīgi kā multfilmas varoņi no viņas bērnības. Tomēr viņa saskārās ar to pašu izaicinājumu. Šīs sistēmas varēja pilnībā demonstrēt tikai datorsimulācijās. Faktiskās mašīnas viņas algoritmu izpildei vēl nebija uzbūvētas.
Viņa rada atmosfēru, kurā cilvēki, visticamāk, ir radoši un izmēģina kaut ko tādu, kam a priori nav jēgas, bet, ja tas būtu iespējams, tas būtu patiešām mežonīgs un foršs. — Radhika Nagpals
Rus saprata, ka, lai roboti būtu patiesi spējīgi, viņu smadzenēm un ķermenim jābūt vienlīdz attīstītam. Viņa saka, ka jums ir vajadzīgas smadzenes, kas var kontrolēt ķermeni, bet ķermenim ir jāspēj veikt jūsu uzdoto uzdevumu. Tātad jādomā par ķermeņa iespējām, pēc tam par zinātni un matemātiku, kas dod ķermenim nepieciešamo kontroles sistēmu.
2003. gadā Rus pievienojās MIT fakultātei, paņemot līdzi savu laboratoriju un pārdēvējot to par Distributed Robotics Lab, lai tā atbilstu viņas redzējumam: visaptverošu robotu nākotne. 2005. gadā viņa kļuva par CSAIL Robotikas centra līdzdirektori un trīs gadus vēlāk par CSAIL asociēto direktori; līdz 2012. gadam viņa apsvēra iespēju doties brīvdienu atvaļinājumā un uzsākt jaunuzņēmumu. Viņas aizraušanās ar pētniecību nebija izzudusi — viņa vienkārši meklēja kaut ko citu. Tad viņa uzzināja, ka CSAIL tiek atvērts direktora amats. Tā ir tik ārkārtēja organizācija, un tai ir bijusi tik liela nozīme nākotnes veidošanā, viņa saka. Lai varētu palīdzēt veidot CSAIL virzību uz priekšu, palīdzēt padarīt to ietekmīgāku — tas bija kā amerikāņu sapnis.
Sabats varēja pagaidīt.
Četru rotoru robots sēž uz riteņiem balstīta robota, kas veidots pēc Marsa roveriem; abi tika izstrādāti no lētiem materiāliem. Četrrotoru robots ir izmantots, lai izsekotu vaļus un demonstrētu lidojošas kameras pastāvīgai uzraudzībai.
Stūres CSAIL
CSAIL jau bija labi nostiprinājies kā pasaules vadošais datorzinātņu pētniecības centrs, kad Rus — pirmā sieviete, kas vadīja laboratoriju — pārņēma vadību 2012. gadā. Mūsdienās CSAIL ir septiņi Makartūra laureāti, astoņi Tjūringa balvas saņēmēji un bruņinieks (Tims Berners- Lī). MIT lielākā pētniecības laboratorija, kurā strādā 115 galvenie pētnieki (PI), simtiem zinātnieku un studentu un vairāk nekā 800 pētniecības projektu. Šeit ir daudz ideju, un katrs no mūsu PI ir liels sapņotājs, saka Rus. Mēs esam sava veida sapņu savienība, un mans uzdevums ir nodrošināt, lai mums būtu vide šo lielo sapņu un ideju kultivēšanai.
Lai to paveiktu, Rus strādā, lai uzturētu kultūru, kas atbalsta ikviena CSAIL izaugsmi, sākot no administratīvā personāla līdz mācībspēkiem. Viņa cenšas uzturēt kopības sajūtu, izmantojot parastās metodes, tostarp regulāras sanāksmes, saviesīgas pulcēšanās un simpozijus. Taču viņas centieni šajā jomā svārstās arī no ļoti personiskiem — robotiķis stāstīja par to, kā viņa palīdzēja viņam šķirties, līdz dīvainajiem. Reiz klavieres, ko Rus bija nopirkušas viņas meitai, kļūdas dēļ tika nosūtītas uz laboratoriju, nevis uz viņas mājām, un cilvēki dienas laikā sāka sēdēt, lai spēlētu. Šo divu nedēļu laikā es uzzināju, ka daudzi no maniem studentiem patiesībā bija ļoti talantīgi mākslinieki, viņa atceras. Kādu dienu es dzirdēju vienu no studentiem spēlējam Šopēnu, un tas bija tik skaisti. Kad klavieres tika noņemtas, viņa nopirka laboratorijai klaviatūru, un improvizētie koncerti turpinājās.
Pārējie divi viņas stratēģijas CSAIL vadīšanas pīlāri — resursi un idejas — ir tieši saistīti. Rus apzina skaitļošanas problēmas, kurām var būt vislielākā ietekme, un pēc tam veido partnerības, lai nodrošinātu finansējumu, kas nepieciešams to risināšanai. Lielo datu iniciatīva tika ieviesta tieši brīdī, kad viņa kļuva par direktori 2012. gadā, un kopš tā laika viņa ir uzsākusi vēl četras lielas nozares vai valdības sponsorētas iniciatīvas, kas vērstas uz kiberdrošību, autonomiem transportlīdzekļiem, mašīnmācību un veselības aprūpi.
Piemēram, Rus kopā ar Toyota izveidoja autonomo transportlīdzekļu programmu 25 miljonu ASV dolāru apmērā, izveidojot Toyota-CSAIL kopīgo pētniecības centru. Tā vietā, lai pilnībā bezvadītāja automašīnas, piemēram, tās, ko mēģina būvēt Google vai Uber, viņa iztēlojas transportlīdzekļus, kas aprīkoti ar lāzera attāluma mērītājiem un citiem uzlabotiem sensoriem, ko varētu izmantot, lai palīdzētu cilvēkiem braukt droši pārpildītās pilsētās vai sliktos laikapstākļos. Automašīna pārņemtu pilnīgu vadību tikai tad, ja, piemēram, bīstami ātri tuvotos pagriezienam vai mainītu joslu, kad tur jau atrodas cita automašīna.
Šis uzņēmums vien ietver 17 dažādus projektus, kuros iesaistītas dažādas CSAIL laboratorijas, tostarp viņas pašas DRL un grupas, kas koncentrējas uz datora redzi, mašīnmācību un sensoru izstrādi. Mani ļoti interesē projekti, kas aptver vairākas skaitļošanas jomas un ir lielāki par to, ko var paveikt katrs atsevišķs pētnieks, viņa skaidro. Kā direktore Rus uzskata sevi arī par laboratorijas pārstāvi, sava veida zinātnieku stāstnieku, kas burtiski ceļo pa pasauli, konferencēs un sanāksmēs slavinot pētniekus ar stāstiem par CSAIL jaunākajiem varoņdarbiem. Nagpala saka, ka Rusas sarunas iedvesmo viņas pašas grupu Hārvardā, un viņai ir aizdomas, ka viņai ir tāda pati ietekme uz citiem. Viņa ir persona, kas liek jums justies, ka tam vajadzētu būt jautram, saka Nagpals. Viņa rada atmosfēru, kurā cilvēki, visticamāk, ir radoši un izmēģina kaut ko tādu, kam a priori nav jēgas, bet, ja tas būtu iespējams, tas būtu patiešām mežonīgs un foršs.
Autonomijas zinātne
Rus saka, ka darbs DRL ir paredzēts autonomijas zinātnes attīstībai. Projektos parasti tiek izmantota viena un tā pati plaša metodoloģija. Lielākā daļa sāk ar problēmas identificēšanu un izpratni un robotu izsapņošanu, kas to varētu atrisināt (neatkarīgi no tā, vai tie jau pastāv vai ir jāveido no nulles). Pēc tam pētnieki izstrādā algoritmus, lai vadītu mašīnas, palaistu tās simulācijā un visbeidzot pārbauda tos reālajā pasaulē.
Rezultāti bieži apstrīd robotu standarta definīciju. 2016. gadā Rus, mašīnbūves maģistrantūras students Stīvens Guitrons, CSAIL pēcdoktors Shuguang Li un kolēģi no citām iestādēm iepazīstināja ar origami iedvesmotu norīt robotu. Lai tas darbotos, viņiem bija jāizstrādā robotizēts korpuss, ko varēja saspiest kapsulā tabletes lielumā, pēc tam atlocīt un veikt uzdevumus, kad kapsula ir izšķīdusi. Miniatūrais aparāts vēl nav pārbaudīts in vivo, taču Rus saka, ka nākotnes versijas varētu būt mikroķirurgi, veicot operācijas bez iegriezumiem vai fiziskām sāpēm.
Viņa saka, ka mums ir jādomā par tehnoloģiju, kas mums jāizveido pēc 10 gadiem, kā domāt par problēmām, kas ir svarīgas ne tikai nākamajai iterācijai, bet arī nākamajiem simts tehnoloģijas atkārtojumiem, saka postdoc Cristian-Ioan Vasile.
Origami roboti ir saistīti ar viņas iepriekšējo darbu pie pašpārkonfigurējošām mašīnām, taču tie atspoguļo arī lielākas pūles, lai pārdomātu robota ķermeni. Rus savā laboratorijā izveidoja Soft Robotics Group, jo bija pārliecināta, ka stingrām, stingrām mašīnām ir pārāk daudz ierobežojumu. Viens no pirmajiem grupas dalībniekiem Roberts Katzmans izgatavoja 3-D drukātu zivi ar elastīgiem izpildmehānismiem vai mākslīgiem muskuļiem. Vēlāk, strādājot kopā ar citiem dalībniekiem, lai uzlabotu robota spēju satvert trauslus objektus — līdzīgi kā uzdevums, ko Rusa mēģināja risināt savā doktora darbā — Katzmans pārveidoja zivīm izstrādātos izpildmehānismus, lai palīdzētu izstrādāt jauna veida roku humanoīdu roboti, piemēram, Baksters. (Baksters ir bijušā CSAIL direktora Rodnija Brūksa un viņa uzņēmuma Rethink Robotics prāta bērns.) Atšķirībā no pagātnes stingrajām robotu formām, Katzmana mīkstā trīspirkstu roka var saliekties un sajust, ļaujot tai uzņemt plašāku priekšmetu klāstu. — un identificēt tos, neizmantojot redzes algoritmus.
Robotu ziedi, kurus var likt uzziedēt vai mainīt krāsu ar planšetdatoru, ir paredzēti, lai ieinteresētu bērnus par robotiku.
Rus arī strādā, lai uzlabotu robotu spēju spriest un pieņemt labus lēmumus. Vasile izstrādā algoritmus, kas nodrošina, ka autonomās automašīnas vienmēr darbojas droši, izvairoties no sadursmēm ar citiem transportlīdzekļiem un gājējiem, kā arī nodrošina pareizo līdzsvaru starp ceļu satiksmes noteikumu ievērošanu un efektīvu galamērķa sasniegšanu. (Piemēram, noklusējuma režīmu, kas paredzēts turēšanai labajā joslā, var ignorēt nepieciešamība apiet būvlaukumu.) Tomēr vieda automašīna var pieņemt lēmumus, tikai pamatojoties uz datiem, kuriem tai var piekļūt. Piemēram, šaurā garāžā transportlīdzeklis nevarēs redzēt ap stūriem. Tātad cita DRL grupa savienoja pārī robotizētu automašīnu ar autonomu dronu. Automašīnai identificējot aklās zonas, drons lido uz priekšu, skenē šīs zonas, lai noteiktu iespējamos apdraudējumus, un pēc tam nosūta video atpakaļ uz transportlīdzekli apstrādei.
Tāpat, lai Araki izveidotu robotu spietu, ko lūdza Rus, viņam bija jāpārdomā gan fiziskie roboti, gan to vadības sistēmas. Viņš nomainīja pikobuga kājas pret uzticamākiem, vieglāk vadāmiem riteņiem. Pēc tam viņam bija jāizdomā, kā viņa roboti varētu orientēties imitētā pilsētvidē. Viņš nekad nebija izstrādājis šāda veida vadības sistēmu — viņa pieredze ir mašīnbūvē, taču Rusa sagaida, ka viņas studenti būs daudzpusīgi. Tāpēc viņš pielāgoja algoritmu, kas izstrādāts, lai palīdzētu robotu bariem kopīgi plānot ātrus un bez sadursmju maršrutus. Tā kā viņa roboti varēja lidot, Araki modificēja algoritmu, lai tas attiektos arī uz transportlīdzekļiem, kas pārvietojas virs ietves, un pēc tam optimizēja to efektivitātei, lai droniem ātri neizlādētos akumulators. Līdz šim viņš ir uzbūvējis astoņus no tiem, un ar Rus un citu laboratorijas darbinieku palīdzību viņš demonstrēja, ka lidojošās automašīnas var apgriezties deviņu kvadrātmetru pilsētas paraugā bez sadursmes.
Komunikācija ir otra atslēga, lai realizētu Rusas robotu pilno nākotni. Ja reālajā pasaulē darbosies spējīgu mašīnu bari, neatkarīgi no tā, vai tie lido, brauc vai ripo pa māju, tiem būs efektīvāk jāsazinās vienam ar otru un ar cilvēkiem. Ar Rus palīdzību DRL datorzinātniece Stefānija Gila izstrādāja algoritmus, kas ļauj robotiem uztvert bezvadu signāla stipruma atšķirības, novērtēt, kur signāli varētu būt labāki, un pāriet uz šīm vietām, lai uzlabotu viņu spēju sazināties. Tas varētu būt ļoti svarīgi, ja uz dabas katastrofas vietu būtu jānosūta robotu flote, skaidro Gils, jo tas ļautu vairākām mašīnām efektīvi iztīrīt telpu un ātri apmainīties ar svarīgu informāciju savā starpā un jebkurām amatpersonām.
Uzzinot vairāk par to, kā izplatās bezvadu signāli, Gils arī atrada veidu, kā uzminēt iespējamo konkrētā signāla avotu un to, vai tas ir cēlies no zināmas entītijas, piemēram, cita robota telpā vai neidentificētas puses. Mēs varam noteikt, vai kāds krāpnieks vai ļaunprātīgs aģents attēlam pievieno informāciju, kas faktiski nav derīga, viņa saka. Ja Rus vīzija piepildīsies, tas varētu izrādīties neticami svarīgi. Hakeris, kas pārņem jūsu datoru, ir pietiekami draudīgs. Tagad iedomājieties, ka šī persona satver jūsu pašbraucošās automašīnas digitālo riteni.
Lai gan tie varētu šķist atšķirīgi projekti nepiederošajam, Rusai un viņas studentiem ir skaidras saiknes starp tādām jomām kā robotizētas zivis, drošība, autonomas automašīnas un drons. Jūs varētu domāt, ka šīs lietas ir nesavienojamas, taču ir plašāks attēls, saka Katzmans. Ja vēlaties izveidot robotus, kas spēj darīt lietas, ko var izmantot ikviens, jums ir jābūt inovācijām daudzās dažādās jomās. Danielai ir vīzija, kas galu galā apvienos visas šīs lietas.
Šī vīzija ir tas, kas viņu motivē vēlu vakarā pabeigt TEDx runu un tikties ar laboratorijas locekļiem nākamajā rītā vai lidot uz Ķīnu uz 24 stundām, lai apspriestu potenciālo pētniecības partnerību, un pēc tam atsākt darbu nākamajā dienā. Veidojot nākotni, nav vietas atpūtai. Pirms divdesmit gadiem aprēķini bija paredzēti tikai dažiem ekspertiem, un tagad paskatieties, kur mēs esam šodien, viņa saka. Aprēķini ir patiesi mainījuši to, kā mēs strādājam, kā dzīvojam un kā spēlējam, un es vēlētos redzēt tādu pašu ietekmi no robotiem.