Udviklende, selvreplikerende robotter klar til at kolonisere rummet

"Vi forsøger at, hvis du vil, opfinde en helt ny måde at designe robotter på, som ikke kræver, at mennesker rent faktisk udfører design," sagde Alan Winfield. "Vi udvikler maskinen eller robotten, der svarer til kunstig udvælgelse på den måde, som landmændene har gjort i ikke bare århundreder, men i årtusinder... Det, vi er interesseret i, er avl robotter. Jeg mener det bogstaveligt."

Winfield, som har arbejdet med software og robotsystemer siden begyndelsen af ​​1980'erne, er professor i kognitiv robotik i Bristol Robotics Lab ved University of the West of England (UWE). Han er også en af ​​hjernerne bag Autonom Robot Evolution (ARE) projekt, en flerårig indsats udført af UWE, University of York, Edinburgh Napier University, University of Sunderland og Vrije Universiteit Amsterdam. Det vil, håber dets skabere, ændre den måde, robotter er designet og bygget på. Og det er alt sammen takket være at låne en side fra evolutionsbiologien.

Konceptet bag ARE er, i det mindste hypotetisk, simpelt. Hvor mange science fiction-film kan du komme i tanke om, hvor en gruppe frygtløse opdagelsesrejsende lander på en planet og på trods af deres bedste forsøg på at planlægge, er de helt uforberedte på, hvad end de er komme ud for? Dette er virkeligheden for alle de ugæstfrie scenarier, hvor vi måske ønsker at sende robotter, især når de steder kan være titusinder af miles væk, som det er tilfældet for udforskning og mulig beboelse af andre planeter. I øjeblikket kan robotter som Mars rovere er bygget på Jorden, i henhold til vores forventninger til, hvad de vil finde, når de ankommer. Dette er den tilgang, robotister tager, fordi der ikke er nogen anden mulighed.

Men hvad nu hvis det var muligt at implementere en slags miniaturefabrik - bestående af speciel software, 3D-printere, robotarme og andet monteringsudstyr - som var i stand til at fremstille nye slags specialtilpassede robotter baseret på de forhold, det fandt på landing? Disse robotter kunne finpudses i henhold til både miljøfaktorer og de opgaver, der kræves af dem. Hvad mere er, ved at bruge en kombination af den virkelige verden og beregningsmæssig evolution, kan successive generationer af disse robotter gøres endnu bedre til disse udfordringer. Det er, hvad Autonomous Robot Evolution-teamet arbejder på.

"Idéen er, at det, du lander på planeten, ikke er en flok robotter, det er faktisk en flok RoboFabs," Winfield fortalte Digital Trends med henvisning til de ARE-robotfabrikanter, han og hans team af efterforskere er bygning. "Roboterne, der derefter produceres af RoboFabs, bliver bogstaveligt talt testet i den virkelige planet miljø, og meget hurtigt finder du ud af, hvilke der får succes, og hvilke er ikke."

Matt Hale, en postdoc i Bristol Robotics Lab, som bygger RoboFab og designer processen, hvorved den fremstiller fysiske robotter, fortalte Digital Trends: "Nøglen for mig er, at en fysisk robot vil blive skabt, som ikke er designet af en person, men i stedet automatisk af den evolutionære algoritme. Desuden vil denne persons adfærd i den fysiske verden føres tilbage til den evolutionære algoritme og dermed hjælpe med at diktere, hvilke robotter der bliver produceret næste gang."

Velkommen til EvoSphere

Efterligning af evolutionære processer gennem software er et koncept, der er blevet udforsket mindst så langt tilbage som 1940'erne, samme årti i som ENIAC, en kolos på 32 tons, der var verdens første programmerbare, almene elektroniske digitale computer, blev fyret op for den første tid. I de sidste år af dette årti foreslog matematikeren John von Neumann, at en kunstig maskine kunne være bygget, der var i stand til at replikere sig selv - hvilket betyder, at det ville skabe kopier af sig selv, som så kunne skabe flere kopier.

Von Neumanns koncept, der gik forud for kunstig intelligens med mere end et halvt årti, var revolutionært. Det vakte interesse for det felt, der er blevet kendt som Artificial Life eller ALife, en kombination af computer videnskab og biokemi, der forsøger at simulere naturligt liv og evolution gennem brug af computer simuleringer.

Evolutionære algoritmer har vist ægte løfter fra den virkelige verden. For eksempel blev en genetisk algoritme skabt af den tidligere NASA-videnskabsmand og Google-ingeniør Jason Lohn brugt til at designe satellitkomponenter, der blev brugt på faktiske NASA-rummissioner. "Jeg var fascineret af kraften i naturlig udvælgelse," fortalte Lohn mig til min bog Tænkende maskiner. Hvad var chokerende ved Lohns satellitkomponent, som blev itereret af algoritmen over mange generationer, er, at det ikke kun fungerede bedre end noget menneskeligt design, men det var fuldstændig uforståeligt dem også. Lohn huskede, at komponenten så ud som en "bøjet papirclips".

Dette er, hvad ARE-teamet er begejstret for - at de robotter, der kan skabes ved hjælp af denne evolutionære proces, kunne vise sig at være optimeret på en måde, som ingen menneskelig skaber nogensinde kunne drømme om. "Selv når vi kender miljøet udmærket, kan kunstig evolution komme med løsninger, der er så nye, at intet menneske ville have tænkt på dem," sagde Winfield.

Der er to hoveddele til ARE-projektets "EvoSphere." Softwareaspektet kaldes Ecosystem Manager. Winfield sagde, at det er ansvarligt for at bestemme "hvilke robotter der skal parres." Denne parringsproces bruger evolutionære algoritmer til at gentage nye generationer af robotter utroligt hurtigt. Softwareprocessen bortfiltrerer alle robotter, der kan være åbenlyst ulevedygtige, enten på grund af produktionsudfordringer eller åbenlyst fejlbehæftede designs, såsom en robot, der ser ud på vrangen. "Børne"-robotter lærer i et kontrolleret virtuelt miljø, hvor succes vil blive belønnet. De mest succesrige får så deres genetiske kode gjort tilgængelig for reproduktion.

De mest lovende kandidater sendes videre til RoboFab for at bygge og teste. RoboFab består af en 3D-printer (en i den nuværende model, tre til sidst), der printer skelettet af robotten, før den overdrages til robotten arm til at fastgøre det, Winfield kalder "organerne". Disse refererer til hjul, CPU'er, lyssensorer, servomotorer og andre komponenter, der ikke let kan 3D-printet. Til sidst forbinder robotarmen hvert organ til hovedkroppen for at færdiggøre robotten.

"Jeg bliver ikke for teknisk, men der er et problem med evolution i simulering, som vi kalder virkelighedsgabet," sagde Winfield. "Det betyder, at ting, der udelukkende er udviklet i simulering, generelt ikke fungerer særlig godt, når du prøver at køre det i den virkelige verden. [Grunden til det er], fordi en simulering er en forenkling, det er en abstraktion af den virkelige verden. Du kan ikke simulere den virkelige verden med 100 % troskab på et begrænset computerbudget."

Prøv som du måske kan, det er svært at simulere den faktiske dynamik i den virkelige verden. For eksempel virker bevægelse, der fungerer i teorien, muligvis ikke i rodet virkelighed. Sensorer giver muligvis ikke den slags rene aflæsninger, der er tilgængelige i simulering, men snarere uklare tilnærmelser af informationen.

Ved at kombinere både software og hardware i en feedback-loop tror ARE-forskerne, at de kan have taget et stort skridt i retning af at løse dette problem. Når de fysiske robotter rejser rundt, kan deres succeser og fiaskoer føres tilbage til Ecosystem Manager-softwaren, hvilket sikrer, at næste generation af robotter er endnu bedre tilpasset.

Risikoen for utilsigtede replikatorer

"Det store håb er, at vi engang i løbet af de næste 12 måneder eller deromkring vil være i stand til at trykke på startknappen og se hele denne proces køre automatisk," sagde Winfield.

Dette vil dog ikke være i rummet. I første omgang er det mere sandsynligt, at ansøgninger til denne forskning fokuserer på ugæstfrie scenarier på Jorden, såsom at hjælpe med at nedlægge atomkraftværker. Hale sagde, at det ultimative mål med et "fuldt autonomt system til udviklende robotter, der udfører en virkelig opgave, er flere årtier væk," selvom aspekter i mellemtiden af dette projekt - såsom brugen af ​​genetiske algoritmer til, med Winfields ord, at "udvikle en heterogen population" af robotter - vil gøre nyttige fremskridt tættere på hjem.

Som en del af projektet planlægger teamet at udgive deres værker på en open source måde, så andre kan bygge EvoSpheres, hvis de vil. "Forestil dig det her som en slags ækvivalent til en partikelaccelerator, bortset fra det, i stedet for at studere elementære partikler, vi studerer hjerne-krop co-evolution og alle aspekterne af det," Winfield sagde.

Hvad angår den tidslinje af selvreplikerende robotter i rummet, vil det sandsynligvis være længe efter, at han går på pension. Forudser han et tidspunkt, hvor vi vil have kolonier af selvreplikerende rumrobotter? Ja, med forbehold. "Det faktum, at du sender dette system til en planet med et begrænset udbud af elektronik, et begrænset udbud af sensorer, betyder et begrænset udbud af motorer, at tingen ikke kan løbe væk, fordi det er begrænsede ressourcer,” han sagde. "Disse ressourcer vil blive mindre, fordi dele vil fejle over tid, så på en måde har du en indbygget tid grænse på grund af det faktum, at disse komponenter i sidste ende alle vil fejle - inklusive RoboFabs dem selv."

Han var opsat på at tydeliggøre dette "sikkerhedsaspekt" af projektet, som formentlig vil eksistere, så længe det ikke er muligt for robotter at høste materialer fra deres omgivelser og bruge disse til at 3D-printe kritiske organkomponenter.

"Grunden til, at vi foretrækker den tilgang, der har en centraliseret bit hardware, er, at det er nemt at stoppe processen, det er nemt at dræbe processen," sagde han. »Det, vi ikke vil ende med, er at skabe uforvarende von Neumann replikatorer. Det ville være en meget dårlig idé."

Redaktørens anbefalinger

• Fremtiden for automatisering: Robotter kommer, men de vil ikke tage dit job
• Proteser, der ikke kræver øvelse: Inde i det seneste gennembrud inden for bionik
• Disse robotter river ukrudt ihjel, så landmændene ikke behøver kemiske herbicider
• For sur til at køre? Bare rolig - denne autonome bilbar kører til dig
• Der er en kæmpe EMP-blaster i New Mexico. Bare rolig, den er her for at beskytte os