Utvecklande, självreplikerande robotar redo att kolonisera rymden

"Vi försöker, om du vill, uppfinna ett helt nytt sätt att designa robotar som inte kräver att människor faktiskt gör designen," sa Alan Winfield. "Vi utvecklar maskinen eller robotens motsvarighet till artificiellt urval på det sätt som bönder har gjort i inte bara århundraden, utan i årtusenden... Det vi är intresserade av är avel robotar. Jag menar det bokstavligt."

Winfield, som har arbetat med mjukvara och robotsystem sedan början av 1980-talet, är professor i kognitiv robotik vid Bristol Robotics Lab vid University of the West of England (UWE). Han är också en av hjärnorna bakom Autonom Robot Evolution (ARE), ett flerårigt arbete utfört av UWE, University of York, Edinburgh Napier University, University of Sunderland och Vrije Universiteit Amsterdam. Det kommer, hoppas dess skapare, att förändra hur robotar designas och byggs. Och det är allt tack vare att man lånat en sida från evolutionsbiologin.

Konceptet bakom ARE är, åtminstone hypotetiskt, enkelt. Hur många science fiction-filmer kan du komma på där en grupp orädda upptäcktsresande landar på en planet och trots sina bästa försök att planera, befinner sig helt oförberedda på vad de än är råka ut för? Detta är verkligheten för alla ogästvänliga scenarier där vi kanske vill skicka robotar, särskilt när de platser kan vara tiotals miljoner mil bort, vilket är fallet för utforskning och eventuell bosättning av andra planeter. För närvarande gillar robotar Mars rovers är byggda på jorden, enligt våra förväntningar på vad de kommer att hitta när de anländer. Det här är det tillvägagångssätt som robotiker tar eftersom det inte finns något annat alternativ tillgängligt.

Men tänk om det var möjligt att distribuera en sorts miniatyrfabrik — bestående av speciell programvara, 3D-skrivare, robotarmar och annan monteringsutrustning — som kunde tillverka nya typer av skräddarsydda robotar baserat på vilka förhållanden som helst landning? Dessa robotar skulle kunna finslipas efter både miljöfaktorer och de uppgifter som krävs av dem. Dessutom, genom att använda en kombination av verklig utveckling och beräkningsutveckling, kan successiva generationer av dessa robotar göras ännu bättre på dessa utmaningar. Det är vad teamet för Autonomous Robot Evolution arbetar med.

"Tanken är att det du landar på planeten inte är ett gäng robotar, det är faktiskt ett gäng RoboFabs," Winfield berättade för Digital Trends och hänvisade till ARE-robottillverkarna han och hans team av utredare är byggnad. "Robotarna som sedan produceras av RoboFabs testas bokstavligen i den verkliga planeten miljö och mycket snabbt kommer du på vilka som kommer att bli framgångsrika och vilka är inte."

Matt Hale, en postdoc i Bristol Robotics Lab som bygger RoboFab och designar processen genom vilken den tillverkar fysiska robotar, berättade för Digital Trender: "Nyckelfunktionen för mig är att en fysisk robot kommer att skapas som inte är designad av en person, utan istället automatiskt av den evolutionära algoritm. Dessutom kommer beteendet hos denna individ i den fysiska världen att återkopplas till den evolutionära algoritmen och på så sätt hjälpa till att diktera vilka robotar som ska produceras härnäst.”

Välkommen till EvoSphere

Att efterlikna evolutionära processer genom mjukvara är ett koncept som har utforskats åtminstone så långt tillbaka som på 1940-talet, samma decennium i vilken ENIAC, en koloss på 32 ton som var världens första programmerbara elektroniska digitala dator för allmänt bruk, tändes för första gången tid. Under de senare åren av det decenniet föreslog matematikern John von Neumann att en konstgjord maskin kan vara byggd som kunde replikera sig själv - vilket betyder att den skulle skapa kopior av sig själv, som sedan kunde skapa fler kopior.

Von Neumanns koncept, som föregick artificiell intelligens med mer än ett halvt decennium, var revolutionerande. Det väckte intresse för det område som har kommit att kallas Artificiellt liv, eller ALife, en kombination av dator vetenskap och biokemi som försöker simulera naturligt liv och evolution genom användning av dator simuleringar.

Evolutionära algoritmer har visat genuina verkliga löften. Till exempel användes en genetisk algoritm skapad av den tidigare NASA-forskaren och Google-ingenjören Jason Lohn för att designa satellitkomponenter som används på faktiska NASA-rymduppdrag. "Jag var fascinerad av kraften i naturligt urval," sa Lohn till mig för min bok Tänkande maskiner. Vad var chockerande med Lohns satellitkomponent, som upprepades av algoritmen över många generationer, är att det inte bara fungerade bättre än någon mänsklig design, utan det var helt obegripligt för dem också. Lohn kom ihåg att komponenten såg ut som ett "böjt gem."

Detta är vad ARE-teamet är entusiastiska över - att robotarna som kan skapas med hjälp av denna evolutionära process skulle kunna visa sig vara optimerade på ett sätt som ingen mänsklig skapare någonsin kunde drömma om. "Även när vi känner till miljön mycket väl, kan artificiell evolution komma med lösningar som är så nya att ingen människa skulle ha tänkt på dem," sa Winfield.

Det finns två huvuddelar i ARE-projektets "EvoSphere." Mjukvaruaspekten kallas Ecosystem Manager. Winfield sa att det är ansvarigt för att bestämma "vilka robotar som får paras." Denna parningsprocess använder evolutionära algoritmer för att iterera nya generationer av robotar otroligt snabbt. Mjukvaruprocessen filtrerar bort alla robotar som kan vara uppenbart olämpliga, antingen på grund av tillverkningsutmaningar eller uppenbart bristfälliga konstruktioner, till exempel en robot som visas ut och in. "Barn"-robotar lär sig i en kontrollerad virtuell miljö där framgång kommer att belönas. De mest framgångsrika får då sin genetiska kod tillgänglig för reproduktion.

De mest lovande kandidaterna skickas vidare till RoboFab för att bygga och testa. RoboFab består av en 3D-skrivare (en i den nuvarande modellen, tre så småningom) som skriver ut robotens skelett innan den lämnas över till roboten arm för att fästa vad Winfield kallar "organen". Dessa hänvisar till hjulen, CPU: er, ljussensorer, servomotorer och andra komponenter som inte lätt kan 3D-printad. Slutligen kopplar robotarmen varje organ till huvudkroppen för att färdigställa roboten.

"Jag kommer inte att bli för teknisk, men det finns ett problem med evolutionen inom simulering som vi kallar verklighetsgapet," sa Winfield. "Det betyder att saker som uteslutande utvecklas inom simulering i allmänhet inte fungerar särskilt bra när du försöker köra det i den verkliga världen. [Anledningen till det är] för att en simulering är en förenkling, det är en abstraktion av den verkliga världen. Du kan inte simulera den verkliga världen med 100 % trohet på en begränsad datorbudget.”

Försök som du kanske kan, det är svårt att simulera den verkliga dynamiken i den verkliga världen. Till exempel, rörelse som fungerar i teorin kanske inte fungerar i rörig verklighet. Sensorer kanske inte ger den typ av rena avläsningar som finns tillgängliga i simulering, utan snarare otydliga approximationer av informationen.

Genom att kombinera både mjukvara och hårdvara till en återkopplingsslinga tror ARE-forskarna att de kan ha tagit ett stort steg mot att lösa detta problem. När de fysiska robotarna reser runt kan deras framgångar och misslyckanden återkopplas till programvaran Ecosystem Manager, vilket säkerställer att nästa generation av robotar är ännu bättre anpassade.

Risken för oavsiktliga replikatorer

"Det stora förhoppningen är att vi någon gång under de kommande 12 månaderna eller så kommer att kunna trycka på startknappen och se hela processen köras automatiskt," sa Winfield.

Detta kommer dock inte att finnas i rymden. Till en början är det mer sannolikt att ansökningar för denna forskning fokuserar 0n ogästvänliga scenarier på jorden, som att hjälpa till att avveckla kärnkraftverk. Hale sa att det slutliga målet med ett "helt autonomt system för utvecklande robotar som gör en verklig uppgift är flera decennier bort", även om aspekter under tiden av detta projekt – såsom användningen av genetiska algoritmer för att, med Winfields ord, ”utveckla en heterogen population” av robotar – kommer att göra användbara framsteg närmare Hem.

Som en del av projektet planerar teamet att släppa sina verk på ett sätt med öppen källkod, så att andra kan bygga EvoSpheres om de vill. "Föreställ dig det här som en slags motsvarighet till en partikelaccelerator, förutom det, istället för att studera elementarpartiklar, vi studerar hjärn-kropp samevolution och alla aspekter av det," Winfield sa.

När det gäller den tidslinjen för självreplikerande robotar i rymden, kommer det sannolikt att dröja långt efter att han går i pension. Förutser han en tid då vi kommer att ha kolonier av självreplikerande rymdrobotar? Ja, med varningar. "Det faktum att du skickar det här systemet till en planet med ett begränsat utbud av elektronik, ett begränsat utbud av sensorer, ett begränsat utbud av motorer gör att saken inte kan springa iväg eftersom det är ändliga resurser, säger han sa. "Dessa resurser kommer att minska eftersom delar kommer att misslyckas med tiden, så på sätt och vis har du en inbyggd tid begränsa på grund av det faktum att dessa komponenter så småningom kommer att misslyckas - inklusive RoboFabs sig själva."

Han var angelägen om att klargöra denna "säkerhetsaspekt" av projektet, som förmodligen kommer att existera så länge det inte är möjligt för robotar att skörda material från sin omgivning och använda dessa för att 3D-printa kritiska organkomponenter.

"Anledningen till att vi föredrar metoden som har en centraliserad bit av hårdvara är att det är lätt att stoppa processen, det är lätt att döda processen," sa han. "Vad vi inte vill sluta med är att skapa oavsiktligt von Neumann replikatorer. Det vore en mycket dålig idé."

Redaktörens rekommendationer

• Framtiden för automatisering: Robotar kommer, men de tar inte ditt jobb
• Proteser som inte kräver övning: Inuti det senaste genombrottet inom bionik
• Dessa robotar tar ihjäl ogräs så att bönder inte behöver kemiska ogräsmedel
• För sur för att köra? Oroa dig inte - den här autonoma bilbaren kommer att köra till dig
• Det finns en gigantisk EMP-blaster i New Mexico. Oroa dig inte, den är här för att skydda oss