Razvijajoči se samopodvajajoči roboti, pripravljeni na kolonizacijo vesolja

"Če želite, poskušamo izumiti popolnoma nov način oblikovanja robotov, ki ne zahteva, da ljudje dejansko načrtujejo," je dejal Alan Winfield. »Razvijamo stroj ali robotski ekvivalent umetne selekcije na način, ki ga imajo kmetje ne počnejo le stoletja, ampak tisočletja... Kar nas zanima, je vzreja roboti. To mislim dobesedno.”

Winfield, ki dela s programsko opremo in robotskimi sistemi od zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja, je profesor kognitivne robotike v laboratoriju za robotiko Bristol na Univerzi Zahodne Anglije (UWE). Je tudi eden od možganov za Evolucija avtonomnega robota (ARE), večletno prizadevanje UWE, Univerze v Yorku, Univerze Edinburgh Napier, Univerze v Sunderlandu in Vrije Universiteit Amsterdam. Njegovi ustvarjalci upajo, da bo spremenil način načrtovanja in izdelave robotov. In vse to zahvaljujoč izposoji strani iz evolucijske biologije.

Koncept ARE je, vsaj hipotetično, preprost. Koliko znanstvenofantastičnih filmov si lahko omislite, kjer skupina neustrašnih raziskovalcev pristane na planetu in se kljub njihovim najboljšim poskusom načrtovanja znajdejo popolnoma nepripravljeni na kar koli že srečanje? To je realnost za vse negostoljubne scenarije, v katere bi morda želeli poslati robote, zlasti kadar ti kraji so lahko oddaljeni na desetine milijonov milj, kot velja za raziskovanje in morebitno naselitev drugih planeti. Trenutno roboti, kot je Mars roverji so zgrajene na Zemlji v skladu z našimi pričakovanji, kaj bodo našli, ko bodo prispeli. To je pristop, ki ga uporabljajo robotiki, ker ni druge možnosti.

Toda kaj, ko bi bilo mogoče postaviti nekakšno miniaturno tovarno, sestavljeno iz posebne programske opreme, 3D tiskalnikov, robotskih rok in druga oprema za sestavljanje - ki je lahko izdelala nove vrste robotov po meri na podlagi kakršnih koli pogojev, ki jih je našla pristanek? Te robote je mogoče izpopolniti glede na dejavnike okolja in naloge, ki se od njih zahtevajo. Še več, z uporabo kombinacije resničnega sveta in računalniške evolucije bi lahko naslednje generacije teh robotov postale še boljše pri teh izzivih. To je tisto, na čemer dela ekipa Autonomous Robot Evolution.

"Ideja je, da tisto, kar pristaneš na planetu, ni kup robotov, je pravzaprav kup RoboFabov," Winfield je povedal za Digital Trends, pri čemer se je skliceval na proizvajalce robotov ARE, ki so on in njegova ekipa preiskovalcev zgradba. »Roboti, ki jih nato proizvede RoboFabs, so dobesedno preizkušeni v pravem planetu okolju in zelo hitro ugotoviš, kateri bodo uspešni in kateri niso."

Matt Hale, podoktor v laboratoriju za robotiko v Bristolu, ki gradi RoboFab in načrtuje proces, s katerim izdeluje fizične robote, je povedal za Digital Trendi: »Ključna značilnost zame je, da bo ustvarjen fizični robot, ki ga ni zasnoval človek, temveč samodejno evolucijski algoritem. Poleg tega se bo vedenje tega posameznika v fizičnem svetu vrnilo v evolucijski algoritem in tako pomagalo narekovati, kateri roboti bodo naslednji proizvedeni.«

Dobrodošli v EvoSphere

Posnemanje evolucijskih procesov s pomočjo programske opreme je koncept, ki so ga raziskovali že vsaj v štiridesetih letih prejšnjega stoletja, v istem desetletju leta ENIAC, 32-tonski kolos, ki je bil prvi programabilni elektronski digitalni računalnik za splošno uporabo na svetu, je bil prvič zagnan čas. V zadnjih letih tega desetletja je matematik John von Neumann predlagal, da bi lahko bil umetni stroj zgrajena tako, da se je lahko samopodvajala – kar pomeni, da bi ustvarila svoje kopije, ki bi nato lahko ustvarile več izvodov.

Von Neumannov koncept, ki je pred umetno inteligenco več kot pol desetletja, je bil revolucionaren. Zbudil je zanimanje za področje, ki je postalo znano kot umetno življenje ali ALife, kombinacija računalniških znanost in biokemija, ki poskuša simulirati naravno življenje in evolucijo z uporabo računalnika simulacije.

Evolucijski algoritmi so pokazali resnično obljubo v resničnem svetu. Na primer, genetski algoritem, ki ga je ustvaril nekdanji Nasin znanstvenik in Googlov inženir Jason Lohn, je bil uporabljen za načrtovanje satelitskih komponent, ki se uporabljajo na dejanskih vesoljskih misijah NASA. »Navdušila me je moč naravne selekcije,« mi je Lohn povedal za mojo knjigo Misleči stroji. Kaj je bilo šokantno pri Lohnovi satelitski komponenti, ki jo je algoritem ponovil v mnogih generacije, je, da ni le delovalo bolje kot katera koli človeška zasnova, ampak je bilo zanje popolnoma nerazumljivo tudi njih. Lohn se je spomnil, da je komponenta izgledala kot »upognjena sponka za papir«.

To je tisto, nad čimer je ekipa ARE navdušena - da se lahko izkaže, da so roboti, ki jih je mogoče ustvariti s tem evolucijskim procesom, optimizirani na način, o katerem noben človeški ustvarjalec ne bi mogel niti sanjati. "Tudi ko okolje popolnoma dobro poznamo, lahko umetna evolucija pride do rešitev, ki so tako nove, da se nanje ne bi spomnil noben človek," je dejal Winfield.

Projekt ARE ima dva glavna dela "EvoSphere." Programski vidik se imenuje upravitelj ekosistema. Winfield je dejal, da je odgovoren za določanje, "katere robote je treba pariti." Ta postopek parjenja uporablja evolucijske algoritme za neverjetno hitro ponavljanje novih generacij robotov. Postopek programske opreme filtrira vse robote, ki so očitno nesposobni za preživetje, bodisi zaradi proizvodnih izzivov ali očitno pomanjkljivih zasnov, kot je robot, ki je videti navzven. »Otroški« roboti se učijo v nadzorovanem virtualnem okolju, kjer bo uspeh nagrajen. Najuspešnejšim je nato njihova genetska koda na voljo za razmnoževanje.

Najbolj obetavni kandidati so posredovani RoboFabu za izdelavo in testiranje. RoboFab je sestavljen iz 3D-tiskalnika (eden v trenutnem modelu, na koncu trije), ki natisne okostje robota, preden ga preda robotu roko za pritrditev tega, kar Winfield imenuje "organi". Ti se nanašajo na kolesa, procesorje, svetlobne senzorje, servo motorje in druge komponente, ki jih ni mogoče takoj 3D-natisnjeno. Končno robotova roka poveže vsak organ z glavnim telesom, da dokonča robota.

"Ne bom preveč tehničen, vendar obstaja težava z razvojem simulacije, ki jo imenujemo realnostna vrzel," je dejal Winfield. »To pomeni, da stvari, ki so se razvile izključno v simulaciji, na splošno ne delujejo dobro, ko jih poskušate zagnati v resničnem svetu. [Razlog za to] je, ker je simulacija poenostavitev, je abstrakcija resničnega sveta. Z omejenim računalniškim proračunom ne morete simulirati resničnega sveta s 100-odstotno zvestobo.«

Čeprav se trudite, je težko simulirati dejansko dinamiko resničnega sveta. Na primer, gibanje, ki deluje v teoriji, morda ne bo delovalo v neurejeni realnosti. Senzorji morda ne zagotavljajo čistih odčitkov, ki so na voljo v simulaciji, temveč mehke približke informacij.

Z združitvijo programske in strojne opreme v povratno zanko raziskovalci ARE menijo, da so naredili velik korak k rešitvi te težave. Ko fizični roboti potujejo naokoli, se lahko njihovi uspehi in neuspehi vrnejo v programsko opremo Ecosystem Manager, kar zagotavlja, da je naslednja generacija robotov še bolje prilagojena.

Tveganje nenamernih replikatorjev

"Veliko upanje je, da bomo nekje v naslednjih 12 mesecih lahko pritisnili gumb za zagon in videli, da se celoten postopek izvaja samodejno," je dejal Winfield.

Vendar to ne bo v vesolju. Na začetku se bodo aplikacije za to raziskavo bolj verjetno osredotočile na negostoljubne scenarije na Zemlji, kot je pomoč pri razgradnji jedrskih elektrarn. Hale je dejal, da je končni cilj "popolnoma avtonomnega sistema za razvijajoče se robote, ki opravljajo naloge v resničnem svetu, nekaj desetletij stran", čeprav so medtem vidiki tega projekta - kot je uporaba genetskih algoritmov za, po Winfieldovih besedah, "razvoj heterogene populacije" robotov - bo koristne napredke približala domov.

Kot del projekta ekipa načrtuje izdajo svojih del na odprtokodni način, tako da lahko drugi zgradijo EvoSpheres, če želijo. »Predstavljajte si to kot nekakšen ekvivalent pospeševalnika delcev, le da namesto študija osnovnih delcev, preučujemo koevolucijo možganov in telesa in vse vidike tega,« Winfield rekel.

Kar zadeva to časovnico samopodvajajočih se robotov v vesolju, bo verjetno še dolgo po njegovi upokojitvi. Ali predvideva čas, ko bomo imeli kolonije samopodvajajočih se vesoljskih robotov? Da, s pridržki. »Dejstvo, da ta sistem pošiljate na planet z omejeno zalogo elektronike, omejeno zalogo senzorjev, omejena zaloga motorjev pomeni, da stvar ne more pobegniti, ker so to omejeni viri,« je dejal rekel. »Ti viri se bodo zmanjšali, ker bodo deli sčasoma odpovedali, tako da imate v nekem smislu vgrajen čas omejitev zaradi dejstva, da bodo te komponente sčasoma vse odpovedale – vključno z RoboFabs sami.”

Želel je pojasniti ta "varnostni vidik" projekta, ki bo predvidoma obstajal tako dolgo, dokler ne omogoča robotom, da zbirajo materiale iz svoje okolice in jih uporabljajo za 3D-tiskanje kritičnih komponent organov.

"Razlog, da imamo raje pristop, ki ima centraliziran del strojne opreme, je ta, da je enostavno ustaviti proces, enostavno ga je ubiti," je dejal. »Ne želimo končati s tem, da nenamerno ustvarjamo von Neumannovi replikatorji. To bi bila zelo slaba ideja.”

Priporočila urednikov

• Prihodnost avtomatizacije: Roboti prihajajo, vendar ne bodo vzeli vašega dela
• Protetika, ki ne zahteva vaje: najnovejši preboj v bioniki
• Ti roboti do smrti uničijo plevel, tako da kmetje ne potrebujejo kemičnih herbicidov
• Preveč brneče za vožnjo? Ne skrbite – ta avtonomni avto-bar se bo pripeljal do vas
• V Novi Mehiki je ogromen razstreljevalec EMP. Ne skrbite, tukaj je, da nas zaščiti