211service.com
Rytojaus robotų kūrimas
MIT kompiuterių mokslininkė Daniela Rus svajoja apie mūsų robotų kupiną ateitį. 2017 m. spalio 24 d
Joshas Mathewsas
Kai Brandonas Araki 2015 m. atvyko į MIT kaip mechanikos inžinerijos magistrantūros kandidatas, jis atsinešė pikobugą – mažytį robotą, galintį skristi, šliaužioti ir sugriebti smulkius daiktus. Prieš Araki prisijungdamas prie Danielos Rus's Distributed Robotics Lab (DRL), jis dirbo su bendradarbiais keliuose universitetuose kurdamas mažytį autonominį įrenginį, kuris sveria 30 gramų ir telpa į delną. Jis nebuvo visiškai tikras, ką galėtų toliau daryti su pikobugu, bet kai jo naujasis viršininkas stebėjo, kaip tai veikia, ji buvo sužavėta. Aš noriu jų šimto! Rusas pasakė.
Šis prašymas buvo ne tik godus jaudulys. Kompiuterių mokslo ir dirbtinio intelekto laboratorijos (CSAIL) direktoriaus pareigas einantis Rusas įsivaizduoja ateitį, kupiną autonominių mašinų, galinčių skristi, vairuoti, atlikti paprastas operacijas ir kt. Mano didžioji svajonė – turėti pasaulį, kuriame būtų plačiai paplitusios mašinos, į kasdienį gyvenimą integruota visapusiška robotika, kuri padėtų kiekvienam atlikti fizinį darbą ir pažinimo užduotis“, – sako ji.
Vykdant projektą, kurio tikslas buvo sukurti spausdinamus, lengvai sukonstruojamus robotus, buvo pagaminti šie funkciniai robotai, pagaminti iš spausdinto plastiko.
Araki projekto atveju ji įsivaizduoja didesnių autonominių bepiločių orlaivių parką, skraidantį po miestą, pristatantį paketus. Tačiau tai tik viena iš dešimčių Rusijos ir jos tyrinėtojų kuriamų sistemų, kurios gali turėti įtakos daugeliui kasdienio gyvenimo sričių. Neseniai jie pademonstravo piliulės dydžio robotus, kurie gali judėti kūne ir taisyti vidines žaizdas. Jie užprogramavo bepiločius orlaivius, kad jie galėtų susieti su savarankiškai važiuojančiais automobiliais skrisdami į priekį ir nuskaitydami akląsias zonas. Jie sukūrė naujus komunikacijos būdus ir kelių robotų sistemų saugumo modelius. Jos laboratorija pagamino naują roboto ranką, 3D atspausdintą žuvį, kuri plaukia kaip tikra daiktas, nešiojamą navigacijos sistemą akliesiems, smūgius sugeriančias robotų odas ir kt.
Rus, 2002 m. MacArthur genialumo stipendijos laureatas, pelnė pasaulinį pripažinimą novatoriškas darbas moduliniuose ir perkonfigūruojamuose robotuose, kelių robotų sistemose ir valdymo algoritmuose. Ji yra Nacionalinio mokslo fondo karjeros apdovanojimo laureatė ir Dirbtinio intelekto pažangos asociacijos, IEEE, AAAS ir Alfredo P. Sloano fondo bendradarbė, kad būtų galima paminėti tik keletą jos apdovanojimų. Daugelis dalykų, kuriuos ji padarė, iš pradžių atrodo kaip magija, nes tai yra išradingos idėjos, apie kurias niekas negalvojo, sako robotikas Hodas Lipsonas iš Kolumbijos universiteto. Ji lenkia savo laiką.
O jos mokiniai mokosi pasidalinti savo vaizduotės, bet griežtu požiūriu į robotiką. Kartu su kitais bendradarbiais ji ir jos studentai 2017 m. Singapūre vykusioje IEEE tarptautinėje robotikos ir automatizavimo konferencijoje pristatė 15 pranešimų, apimančių visas šios srities sritis – nuo naujų algoritmų iki naujų tipų aparatinės įrangos. Tai neįtikėtinai produktyvi laboratorija, kuri iš tikrųjų gamina įvairius projektus, kurie visi yra kūrybingi ir taip tvirtai sprendžia kai kurias problemas, sako Harvardo universiteto kompiuterių mokslininkė Radhika Nagpal. Techninis matematikos grožis jos darbe yra vienas dalykas, tačiau jos kuriamuose robotuose taip pat yra daug techninio grožio. Pasiekti abu yra neįprasta. Pasiekti abu tiek įvairiose srityse, kiek ji pasiekia, yra visiškai neįprasta.
Rusijos laboratorijos lentynose rikiuojasi įvairūs origami įkvėpti robotai iš kelių projektų. Kai kurie yra savaime sulankstomi.
Kūnas ir smegenys
54 metų Rus gimė ir užaugo komunistinėje Rumunijoje, kur jos susidomėjimas fantastiškomis technologijomis buvo sukeltas ankstyvoje vaikystėje. Jos tėvas buvo informatikas ir ją traukė įtaisai Žvaigždžių kelias , Žiulio Verno technologija ir neįprastas olandų animacinis filmas, Barbapapa , kuriame buvo figūrą keičiančių dėmių šeima, įskaitant išradėją, sukūrusį nuostabias mašinas. Po to, kai jos šeima emigravo į JAV, ji studijavo kompiuterių mokslą ir matematiką Ajovos universitete, o vėliau Kornelio universitete įgijo daktaro laipsnį pas garsų kompiuterių mokslo teoretiką Johną Hopcroftą. (Jonas sakė, kad daugelis klasikinių algoritmų buvo išspręsta ir kad dabar atėjo laikas didžiosioms programoms, ji prisimena. O jam didžiosios programos reiškė robotiką.) Tačiau ji sukūrė algoritmus, padedančius robotams suvokti objektus ir jais manipuliuoti. savo doktorantūros tyrimui ji nustatė, kad devintojo dešimtmečio pabaigoje ir dešimtojo dešimtmečio pradžioje robotizuotų sistemų galimybės neatitiko jos vaikystės mokslinės fantastikos vizijų. Ji prisimena, kad turėjau šiuos gražius algoritmus, kurie labai gerai veikė modeliuojant, tačiau nebuvo roboto pirštų, galinčių paveikti tokias jėgas ir sukimo momentus, kokių reikia mano algoritmams.
Po Kornelio Rus tapo informatikos profesore Dartmuto koledže, kur įkūrė Dartmouth Robotics Lab. Ji jau dirbo su koncertuojančių robotų komandomis ir išplėtė savo dėmesį įtraukdama modulinius, savaime persikonfigūruojančius robotus, kurie gali įgauti skirtingas formas ir formas – panašiai kaip animacinio filmo veikėjai iš jos vaikystės. Vis dėlto ji susidūrė su tuo pačiu iššūkiu. Šios sistemos gali būti visiškai pademonstruotos tik kompiuteriniu modeliavimu. Tikrosios mašinos, skirtos jos algoritmams vykdyti, dar nebuvo sukurtos.
Ji sukuria atmosferą, kurioje žmonės labiau linkę būti kūrybingi ir išbandyti tai, kas a priori galbūt nėra prasminga, bet būtų tikrai laukinė ir šauni, jei tai būtų įmanoma. – Radhika Nagpal
Rusas suprato, kad tam, kad robotai būtų tikrai pajėgūs, jų smegenys ir kūnai turi būti vienodai pažengę. Jums reikia smegenų, galinčių valdyti kūną, bet kūnas turi būti pajėgus atlikti užduotį, kurią jai duodate, sako ji. Taigi reikia galvoti apie kūno galimybes, tada mokslą ir matematiką, kurie suteikia organizmui reikalingą valdymo sistemą.
2003 m. Rus prisijungė prie MIT fakulteto, atsinešdama savo laboratoriją ir pervadinusi ją į Distributed Robotics Lab, kad atitiktų jos viziją: visur besidriekiančių robotų ateitį. 2005 m. ji tapo CSAIL Robotikos centro direktore, o po trejų metų – CSAIL asocijuotoje direktore; iki 2012 m. ji svarstė galimybę atostogauti ir įkurti startuolį. Jos aistra tyrimams neišblėso – ji tiesiog ieškojo kažko kito. Tada ji sužinojo, kad CSAIL atidaromos direktoriaus pareigos. Tai tokia nepaprasta organizacija ir ji suvaidino tokį svarbų vaidmenį formuojant ateitį, sako ji. Padėti formuoti, kaip CSAIL juda į priekį, padaryti jį dar įtakingesnį – tai buvo tarsi amerikietiška svajonė.
Sabatas galėjo palaukti.
Keturių rotorių robotas sėdi ant ratinio roboto, sukurto pagal marsaeigius; abu buvo sukurti iš nebrangių medžiagų. Keturių rotorių robotas buvo naudojamas sekti banginius ir demonstruoti skraidančias kameras, skirtas nuolatiniam stebėjimui.
Vairas CSAIL
CSAIL jau buvo įsitvirtinęs kaip geriausias pasaulyje kompiuterių mokslo tyrimų centras, kai 2012 m. Rus – pirmoji laboratorijai vadovaujanti moteris – pradėjo vadovauti. Šiandien CSAIL turi septynis MacArthur laureatus, aštuonis Turingo apdovanojimo laureatus ir riterį (Timas Bernersas). Lee). Didžiausia MIT tyrimų laboratorija, joje dirba 115 pagrindinių tyrėjų (PI), šimtai mokslininkų ir studentų bei daugiau nei 800 mokslinių tyrimų projektų. Čia yra daug idėjų, ir kiekvienas iš mūsų PI yra didelis svajotojas, sako Rus. Esame savotiška svajonių sąjunga, o mano vaidmuo yra užtikrinti, kad turėtume aplinką šioms didelėms svajonėms ir idėjoms puoselėti.
Siekdama tai padaryti, Rus stengiasi išlaikyti kultūrą, kuri palaiko augimą visiems CSAIL darbuotojams – nuo administracinio personalo iki fakulteto šviesuolių. Ji stengiasi palaikyti bendruomeniškumo jausmą įprastais metodais, įskaitant reguliarius susitikimus, socialinius susibūrimus ir simpoziumus. Tačiau jos pastangos šioje srityje taip pat svyruoja nuo labai asmeniškų – robotas kalbėjo apie tai, kaip ji padėjo jam išsiskirti – iki įnoringų. Kartą pianinas, kurį Rus nupirko dukrai, per klaidą buvo išsiųstas į laboratoriją, o ne į namus, ir žmonės dieną pradėjo sėsti groti. Per tas dvi savaites sužinojau, kad daugelis mano mokinių iš tikrųjų buvo labai talentingi menininkai, prisimena ji. Vieną dieną išgirdau, kaip vienas studentas vaidina Šopeną, ir tai buvo taip gražu. Nuėmusi fortepijoną, ji laboratorijai nupirko klaviatūrą, o ekspromtu koncertuoti tęsėsi.
Kiti du jos CSAIL lyderystės strategijos ramsčiai – ištekliai ir idėjos – yra tiesiogiai susiję. Rusija nustato problemas, susijusias su kompiuteriais, kurios gali turėti didžiausią poveikį, ir tada siekia partnerystės, kad užsitikrintų finansavimą, reikalingą joms spręsti. Didžiųjų duomenų iniciatyva buvo pradėta 2012 m., kai ji tapo direktore, ir nuo to laiko ji pradėjo dar keturias pagrindines pramonės ar vyriausybės remiamas iniciatyvas, skirtas kibernetiniam saugumui, autonominėms transporto priemonėms, mašinų mokymuisi ir sveikatos priežiūrai.
Pavyzdžiui, Rusija su „Toyota“ sukūrė 25 mln. Vietoj visiškai be vairuotojų automobilių, tokių kaip „Google“ ar „Uber“, ji įsivaizduoja automobilius su lazeriniais nuotolio ieškikliais ir kitais pažangiais jutikliais, kurie galėtų padėti žmonėms saugiai vairuoti perpildytuose miestuose ar blogu oru. Automobilis visiškai valdytų tik tuo atveju, jei, pavyzdžiui, pavojingai greitai priartėtumėte prie posūkio arba persijungtumėte į kitą eismo juostą, kai šalia jau yra kitas automobilis.
Vien ši įmonė apima 17 skirtingų projektų, kuriuose dalyvauja įvairios CSAIL laboratorijos, įskaitant jos pačios DRL ir grupes, kurios daugiausia dėmesio skiria kompiuteriniam regėjimui, mašinų mokymuisi ir jutiklių kūrimui. Mane labai domina projektai, kurie apima kelias skaičiavimo sritis ir yra didesni, nei gali atlikti kiekvienas atskiras tyrėjas, – aiškina ji. Būdama direktore, Rus taip pat laiko save laboratorijos atstove spaudai, savotiška mokslininkė istorijų pasakotoja, kuri tiesiogine prasme keliauja po pasaulį, konferencijose ir susitikimuose supažindindama mokslininkus su pasakojimais apie naujausius CSAIL žygdarbius. Nagpal sako, kad Rus pokalbiai įkvepia jos pačios grupę Harvarde, ir ji įtaria, kad ji daro tokį patį poveikį kitiems. Ji yra tas žmogus, kuris verčia jaustis, kad tai turėtų būti smagu, sako Nagpal. Ji sukuria atmosferą, kurioje žmonės labiau linkę būti kūrybingi ir išbandyti tai, kas a priori galbūt nėra prasminga, bet būtų tikrai laukinė ir šauni, jei tai būtų įmanoma.
Autonomijos mokslas
Rusas teigia, kad darbas DRL yra skirtas autonomijos mokslui tobulinti. Projektai paprastai vadovaujasi ta pačia plačia metodika. Dauguma pradeda nuo problemos nustatymo ir supratimo bei susapnuodami robotus, kurie galėtų ją išspręsti (nesvarbu, ar jie jau egzistuoja, ar juos reikia sukurti nuo nulio). Tada mokslininkai kuria algoritmus mašinoms valdyti, paleisti jas modeliuojant ir galiausiai išbandyti realiame pasaulyje.
Rezultatai dažnai ginčija standartinį robotų apibrėžimą. 2016 m. Rus, mechanikos inžinerijos absolventas Stevenas Guitronas, CSAIL postdoc Shuguang Li ir kolegos iš kitų institucijų pristatė origami įkvėptą praryjamą robotą. Kad tai veiktų, jie turėjo sukurti robotą, kurį būtų galima suspausti į tabletės dydžio kapsulę, tada išskleisti ir atlikti užduotis, kai kapsulė ištirps. Miniatiūrinis aparatas dar nebuvo išbandytas in vivo, tačiau Rus teigia, kad būsimos versijos galėtų būti mikrochirurgai, atliekantys operacijas be pjūvių ar fizinio skausmo.
Ji sako, kad turime galvoti apie technologiją, kurią turime sukurti po 10 metų, kaip galvoti apie problemas, kurios yra svarbios ne tik kitai iteracijai, bet ir kitam šimtui technologijos iteracijų, sako postdoc Cristian-Ioan Vasile.
Origami robotai yra susiję su ankstesniu jos darbu, susijusiu su savaiminio perkonfigūravimo mašinomis, tačiau jie taip pat atspindi didesnes pastangas iš naujo įsivaizduoti roboto kūną. Rus savo laboratorijoje įkūrė Soft Robotics grupę, nes buvo įsitikinusi, kad standžios, standžios mašinos turi per daug apribojimų. Vienas pirmųjų grupės narių Robertas Katzschmannas pagamino 3-D spausdintą žuvį su lanksčiomis pavaromis arba dirbtiniais raumenimis. Vėliau, dirbdama su kitais nariais, siekdama pagerinti roboto gebėjimą sugriebti trapius objektus (panašiai į užduotį, kurią Rus bandė atlikti savo doktorantūros darbe), Katzschmann perdarė pavaras, kurias sukūrė žuvims, kad padėtų sukurti naujos rūšies ranką. humanoidiniai robotai, tokie kaip Baxteris. (Baxteris yra buvusio CSAIL direktoriaus Rodney'io Brookso ir jo įmonės „Rethink Robotics“ idėja.) Skirtingai nuo praeities standžių robotų formų, Katzschmanno minkšta trijų pirštų ranka gali sulenkti ir jausti, todėl jai galima paimti daugiau objektų. – ir atpažinti juos nenaudodami regėjimo algoritmų.
Robotų gėlės, kurias galima priversti žydėti arba pakeisti spalvą planšetiniu kompiuteriu, sukurtos taip, kad sudomintų vaikus robotika.
Rus taip pat stengiasi pagerinti robotų gebėjimą mąstyti ir priimti gerus sprendimus. Vasile kuria algoritmus, kurie užtikrina, kad autonominiai automobiliai visada veiktų saugiai, išvengtų susidūrimų su kitomis transporto priemonėmis ir pėstaisiais, taip pat suranda tinkamą pusiausvyrą tarp kelių eismo taisyklių laikymosi ir veiksmingo kelionės tikslo. (Pavyzdžiui, numatytąjį buvimo dešinėje eismo juostoje režimą gali pakeisti būtinybė apvažiuoti statybvietę.) Vis dėlto išmanusis automobilis gali priimti sprendimus tik remdamasis duomenimis, kuriuos gali pasiekti. Pavyzdžiui, ankštame garaže transporto priemonė nematys posūkių. Taigi kita DRL grupė suporavo robotą automobilį su autonominiu dronu. Kai automobilis nustato akląsias zonas, dronas skrenda į priekį, nuskaito šias vietas, ar nėra galimų pavojų, ir siunčia vaizdo įrašą atgal į transporto priemonę apdoroti.
Panašiai, kad Arakis sukurtų robotų būrį, kurio prašė Rus, jis turėjo permąstyti ir fizinius robotus, ir jų valdymo sistemas. Jis iškeitė pikobugo kojeles į patikimesnius, lengviau valdomus ratus. Tada jis turėjo išsiaiškinti, kaip jo robotai ras kelią imituojamoje miesto aplinkoje. Jis niekada nebuvo sukūręs tokios valdymo sistemos – jo išsilavinimas yra mechanikos inžinerija, tačiau Rus tikisi, kad jos mokiniai bus universalūs. Taigi jis pritaikė algoritmą, skirtą padėti robotų spiečiams bendrai planuoti greitus ir be susidūrimų maršrutus. Kadangi jo robotai galėjo skraidyti, Araki pakeitė algoritmą, kad jis apimtų ir virš šaligatvio judančias transporto priemones, o tada optimizavo jį efektyvumui užtikrinti, kad dronams greitai neišsikrautų akumuliatoriaus energija. Iki šiol jis pastatė aštuonis iš jų, o padedamas Ruso ir kitų laboratorijos narių pademonstravo, kad skraidantys automobiliai gali apsisukti devynių kvadratinių metrų modelio mieste nesusidurdami.
Bendravimas yra kitas raktas į Rusijos robotų pilną ateitį. Jei daugybė galingų mašinų veiks realiame pasaulyje, nesvarbu, ar jie skraido, ar vairuoja, ar rieda aplink namus, jiems reikės veiksmingiau bendrauti tarpusavyje ir su žmonėmis. Rusui padedama DRL kompiuterių mokslininkė Stephanie Gil sukūrė algoritmus, leidžiančius robotams pajusti belaidžio ryšio signalo stiprumo svyravimus, įvertinti, kur signalai gali būti geresni, ir pereiti į tas vietas, kad pagerintų savo gebėjimą bendrauti. Tai gali būti labai svarbu, jei į stichinės nelaimės vietą siųstumėte robotų parką, aiškina Gilas, nes tai leistų kelioms mašinoms efektyviai apžiūrėti erdvę ir greitai dalytis svarbia informacija vieni su kitais ir visais žmonėmis.
Sužinojęs daugiau apie tai, kaip sklinda belaidžiai signalai, Gil taip pat rado būdą atspėti tikėtiną tam tikro signalo šaltinį ir tai, ar jis kilo iš žinomo subjekto, pavyzdžiui, kito roboto patalpoje, ar neidentifikuotos šalies. Galime nustatyti, ar apgaulė ar kenkėjiškas agentas į paveikslėlį prideda informacijos, kuri iš tikrųjų negalioja, sako ji. Jei Rusijos vizija išsipildys, tai gali pasirodyti nepaprastai svarbu. Kompiuterį užvaldęs įsilaužėlis kelia pakankamai grėsmės. Dabar įsivaizduokite, kad tas asmuo griebia jūsų savarankiškai važiuojančio automobilio skaitmeninį vairą.
Nors pašaliniams tai gali atrodyti kaip skirtingi projektai, Rusai ir jos mokiniams yra aiškūs ryšiai tarp tokių sričių kaip robotizuotos žuvys, saugumas, autonominiai automobiliai ir dronai. Galbūt manote, kad šie dalykai yra nesusiję, bet yra didesnis vaizdas, sako Katzschmannas. Jei norite sukurti robotus, galinčius daryti tai, ką gali naudoti visi, turite turėti naujovių įvairiose srityse. Daniela turi viziją, kuri galiausiai sujungs visus šiuos dalykus.
Ši vizija motyvuoja ją baigti TEDx pokalbį vėlai vieną vakarą, o kitą rytą vis tiek susitikti su savo laboratorijos nariais arba 24 valandoms skristi į Kiniją aptarti galimos mokslinių tyrimų partnerystės, o kitą dieną tęsti darbą. Kuriant ateitį nėra vietos poilsiui. Prieš 20 metų skaičiavimai buvo skirti tik nedaugeliui ekspertų, o dabar pažiūrėkite, kur esame šiandien, sako ji. Skaičiavimas iš tikrųjų pakeitė tai, kaip mes dirbame, kaip gyvename ir kaip žaidžiame, ir aš norėčiau matyti tokį patį robotų poveikį.