Utviklende, selvreplikerende roboter klare til å kolonisere verdensrommet

"Vi prøver å, hvis du vil, finne opp en helt ny måte å designe roboter på som ikke krever at mennesker faktisk utfører design," sa Alan Winfield. "Vi utvikler maskinen eller robotekvivalenten til kunstig utvalg på samme måte som bønder har gjort i ikke bare århundrer, men i årtusener … Det vi er interessert i er avl roboter. Jeg mener det bokstavelig."

Winfield, som har jobbet med programvare og robotsystemer siden tidlig på 1980-tallet, er professor i kognitiv robotikk i Bristol Robotics Lab ved University of the West of England (UWE). Han er også en av hjernene bak Autonom Robot Evolution (ARE)-prosjektet, en flerårig innsats utført av UWE, University of York, Edinburgh Napier University, University of Sunderland og Vrije Universiteit Amsterdam. Det vil, håper skaperne, endre måten roboter er designet og bygget på. Og det er alt takket være å låne en side fra evolusjonsbiologien.

Konseptet bak ARE er, i det minste hypotetisk, enkelt. Hvor mange science fiction-filmer kan du tenke deg hvor en gruppe uredde oppdagere lander på en planet og, til tross for deres beste forsøk på å planlegge, befinner de seg helt uforberedt på hva de enn måtte gjøre støte på? Dette er realiteten for alle de ugjestmilde scenariene der vi kanskje vil sende roboter, spesielt når de steder kan være titalls millioner kilometer unna, slik tilfellet er for utforskning og mulig beboelse av andre planeter. For tiden liker roboter Mars rovere er bygget på jorden, i henhold til våre forventninger om hva de vil finne når de ankommer. Dette er tilnærmingen robotikere tar fordi det ikke er noe annet alternativ tilgjengelig.

Men hva om det var mulig å distribuere en slags miniatyrfabrikk - bestående av spesiell programvare, 3D-printere, robotarmer og annet monteringsutstyr - som var i stand til å produsere nye typer spesialtilpassede roboter basert på hvilke forhold den fant på landing? Disse robotene kunne finpusses i henhold til både miljøfaktorer og oppgavene som kreves av dem. I tillegg kan påfølgende generasjoner av disse robotene bli enda bedre på disse utfordringene ved å bruke en kombinasjon av virkelighets- og beregningsmessig evolusjon. Det er det Autonomous Robot Evolution-teamet jobber med.

"Ideen er at det du lander på planeten ikke er en haug med roboter, det er faktisk en haug med RoboFabs," Winfield fortalte Digital Trends, med henvisning til ARE-robotfabrikantene han og hans team av etterforskere er bygning. "Robotene som deretter produseres av RoboFabs blir bokstavelig talt testet i den virkelige planeten miljø og, veldig raskt, finner du ut hvilke som kommer til å lykkes og hvilke er ikke."

Matt Hale, en postdoktor i Bristol Robotics Lab som bygger RoboFab og designer prosessen der den produserer fysiske roboter, fortalte Digital Trender: "Nøkkelfunksjonen for meg er at en fysisk robot vil bli laget som ikke er designet av en person, men i stedet automatisk av den evolusjonære algoritme. Videre vil oppførselen til dette individet i den fysiske verden gå tilbake til den evolusjonære algoritmen, og dermed bidra til å diktere hvilke roboter som produseres neste gang.»

Velkommen til EvoSphere

Etterligning av evolusjonære prosesser gjennom programvare er et konsept som har blitt utforsket minst så langt tilbake som på 1940-tallet, samme tiår i som ENIAC, en 32-tonns koloss som var verdens første programmerbare, elektroniske digitale datamaskin for generell bruk, ble fyrt opp for den første tid. I de siste årene av dette tiåret foreslo matematikeren John von Neumann at en kunstig maskin kan være bygget som var i stand til å replikere seg selv - noe som betyr at det ville lage kopier av seg selv, som deretter kunne skape flere kopier.

Von Neumanns konsept, som gikk før kunstig intelligens med mer enn et halvt tiår, var revolusjonerende. Det vekket interesse for feltet som har blitt kjent som Artificial Life, eller ALife, en kombinasjon av datamaskin vitenskap og biokjemi som forsøker å simulere naturlig liv og evolusjon gjennom bruk av datamaskin simuleringer.

Evolusjonære algoritmer har vist ekte løfter fra den virkelige verden. For eksempel ble en genetisk algoritme laget av tidligere NASA-forsker og Google-ingeniør Jason Lohn brukt til å designe satellittkomponenter brukt på faktiske NASA-romoppdrag. "Jeg ble fascinert av kraften i naturlig utvalg," fortalte Lohn meg for boken min Tenkemaskiner. Hva var sjokkerende med Lohns satellittkomponent, som ble gjentatt av algoritmen over mange generasjoner, er at det ikke bare fungerte bedre enn noe menneskelig design, men at det var helt uforståelig dem også. Lohn husket at komponenten så ut som en «bøyd binders».

Dette er hva ARE-teamet er begeistret for - at robotene som kan lages ved hjelp av denne evolusjonsprosessen kan vise seg å være optimalisert på en måte ingen menneskelig skaper noensinne kunne drømme om. "Selv når vi kjenner miljøet godt, kan kunstig evolusjon komme opp med løsninger som er så nye at ingen mennesker ville ha tenkt på dem," sa Winfield.

Det er to hoveddeler til ARE-prosjektet "EvoSphere." Programvareaspektet kalles Ecosystem Manager. Winfield sa at det er ansvarlig for å bestemme "hvilke roboter som skal parres." Denne paringsprosessen bruker evolusjonære algoritmer for å iterere nye generasjoner roboter utrolig raskt. Programvareprosessen filtrerer ut alle roboter som kan være åpenbart ulevedyktige, enten på grunn av produksjonsutfordringer eller åpenbart mangelfulle design, for eksempel en robot som vises på vrangen. "Barne"-roboter lærer i et kontrollert virtuelt miljø hvor suksess vil bli belønnet. De mest suksessrike får da sin genetiske kode gjort tilgjengelig for reproduksjon.

De mest lovende kandidatene sendes videre til RoboFab for å bygge og teste. RoboFab består av en 3D-printer (en i dagens modell, tre til slutt) som skriver ut skjelettet til roboten, før den overleveres til roboten arm for å feste det Winfield kaller «organene». Disse refererer til hjul, CPUer, lyssensorer, servomotorer og andre komponenter som ikke lett kan 3D-printet. Til slutt kobler robotarmen hvert organ til hovedkroppen for å fullføre roboten.

"Jeg vil ikke bli for teknisk, men det er et problem med evolusjon i simulering som vi kaller virkelighetsgapet," sa Winfield. "Det betyr at ting som utelukkende er utviklet i simulering, generelt ikke fungerer veldig bra når du prøver å kjøre det i den virkelige verden. [Årsaken til det er] fordi en simulering er en forenkling, det er en abstraksjon av den virkelige verden. Du kan ikke simulere den virkelige verden med 100 % troskap på et begrenset databudsjett.»

Prøv som du kanskje kan, det er vanskelig å simulere den faktiske dynamikken i den virkelige verden. For eksempel kan det hende at bevegelse som fungerer i teorien ikke fungerer i rotete virkelighet. Sensorer gir kanskje ikke den typen rene avlesninger som er tilgjengelige i simulering, men heller uklare tilnærminger av informasjonen.

Ved å kombinere både programvare og maskinvare i en tilbakemeldingssløyfe, tror ARE-forskerne at de kan ha tatt et stort skritt mot å løse dette problemet. Når de fysiske robotene reiser rundt, kan deres suksesser og fiaskoer føres tilbake til Ecosystem Manager-programvaren, noe som sikrer at neste generasjon roboter er enda bedre tilpasset.

Risikoen for utilsiktede replikatorer

"Det store håpet er at vi en gang i løpet av de neste 12 månedene eller så vil kunne trykke på startknappen og se hele denne prosessen kjøre automatisk," sa Winfield.

Dette vil imidlertid ikke være i verdensrommet. I utgangspunktet er det mer sannsynlig at søknader om denne forskningen fokuserer på ugjestmilde scenarier på jorden, for eksempel å hjelpe til med å avvikle atomkraftverk. Hale sa at det endelige målet med et "helt autonomt system for utviklende roboter som gjør en oppgave i den virkelige verden er flere tiår unna," selv om aspekter i mellomtiden av dette prosjektet – slik som bruken av genetiske algoritmer for, med Winfields ord, å «utvikle en heterogen populasjon» av roboter – vil gjøre nyttige fremskritt nærmere hjem.

Som en del av prosjektet planlegger teamet å gi ut verkene sine på en åpen kildekode-måte, slik at andre kan bygge EvoSpheres hvis de vil. «Se for deg dette som en slags ekvivalent til en partikkelakselerator, bortsett fra det, i stedet for å studere elementærpartikler, vi studerer hjerne-kropp-koevolusjon og alle aspektene ved det,» Winfield sa.

Når det gjelder tidslinjen for selvreplikerende roboter i verdensrommet, vil det sannsynligvis være lenge etter at han trekker seg tilbake. Forutser han en tid da vi vil ha kolonier av selvreplikerende romroboter? Ja, med forbehold. "Det faktum at du sender dette systemet til en planet med begrenset tilførsel av elektronikk, begrenset tilførsel av sensorer, en begrenset tilgang på motorer betyr at tingen ikke kan stikke av fordi de er begrensede ressurser,» han sa. "Disse ressursene vil avta fordi deler vil svikte over tid, så på en måte har du en innebygd tid begrense på grunn av det faktum at disse komponentene til slutt vil mislykkes - inkludert RoboFabs dem selv."

Han var opptatt av å gjøre klart dette "sikkerhetsaspektet" av prosjektet, som antagelig vil eksistere så lenge det ikke er mulig for roboter å høste materialer fra omgivelsene og bruke disse til å 3D-printe kritiske organkomponenter.

"Grunnen til at vi foretrekker tilnærmingen som har en sentralisert bit av maskinvare er at det er lett å stoppe prosessen, det er lett å drepe prosessen," sa han. "Det vi ikke vil ende opp med er å skape utilsiktet von Neumann replikatorer. Det ville vært en veldig dårlig idé."

Redaktørenes anbefalinger

• Fremtiden for automatisering: Roboter kommer, men de vil ikke ta jobben din
• Protetikk som ikke krever øvelse: Inne i det siste gjennombruddet innen bionikk
• Disse robotene tar ihjel ugresset slik at bønder ikke trenger kjemiske ugressmidler
• For sur til å kjøre? Ikke bekymre deg - denne autonome bilbaren vil kjøre til deg
• Det er en gigantisk EMP-blaster i New Mexico. Ikke bekymre deg, den er her for å beskytte oss