Роботы похожие на нас — Мир Знаний

Роботы похожие на нас

ВСЯКОМУ, КТО ПОБЫВАЛ В ДЕКАБРЕ прошлого года на автодроме флоридского города Хоумстед (США), могло показаться, что он попал в блокбастер Джорджа Лукаса. В центре гоночного трека огромная толпа собралась посмотреть, как футуристические роботы преодолевают полосу препятствий, а выставившие их команды, обвешанные видеокамерами, фиксируют каждое движение.

Роботы собрались здесь для участия в отборочных соревнованиях DARPA Robotic Challenge. Команды из таких престижных организаций, как NASA и MIT, соперничали в выполнении заданий, специально разработанных для проверки, на что способны их роботы. Среди этих задач был подъем по лестнице, присоединение шланга к гидранту и подача воды, вождение автомобиля, использование инструмента для разрушения бетонной стены и классическая задача по открыванию двери для входа в здание.

30 (1)

Для нас эти задачи из конкурса DARPA, возможно, кажутся тривиальными. Но они чрезвычайно сложны для роботов и их конструкторов. Смысл подобных испытаний в том, что рано или поздно мы сможем отправлять роботов вместо людей на рискованные операции в опасных условиях. Также в дальнейшем домашние роботы смогут ездить на машине в магазин, гладить или принимать телефонные звонки. Ради этого под эгидой DARPA учредили конкурс с призовым фондом 2 млн долларов. Его финал состоится в конце года, когда определятся восемь команд, прошедших квалификационные испытания. В соревнованиях участвуют такие разработчики, как Google, чьи технологии принципиально меняют правила игры в отрасли. Недавно Google приобрел массачусетский стартап Boston Dynamics, разработки которого, такие как BigDog и Atlas, в числе самых продвинутых роботов в мире.

ЧЕЛОВЕКОПОДОБНЫЕ ДРОИДЫ

В отличие от созданий прошлого, напоминавших мусорное ведро на колесиках, большинство роботов, представленных на соревнованиях DARPA, на удивление человекоподобны. Они стоят на двух ногах, имеют по две руки с выраженным плечевым поясом и даже снабжены многофункциональными кистями рук, как у человека. К этой революции подтолкнуло осознание робототехниками того факта, что наш мир подогнан под человека с его формами, а потому и роботы должны быть адаптированы к этой среде. Вместо того чтобы реконструировать весь наш мир, приспосабливая его для невысоких, коренастых колесных роботов, требующих для управления высшего образования в области компьютерной техники, мы становимся свидетелями радикальных перемен в подходах которые сделают роботов в целом более человекоподобными в движениях, взаимодействии и даже в том, как они «думают».

КАК ОНИ ДВИЖУТСЯ

Чтобы оценить преимущества ног по сравнению с колесами, посмотрите, какая пыль скапливается на лестницах домов, где есть робот-пылесос Roomba. Наш мир полон самых разных неровных, сыпучих, мягких и даже движущихся поверхностей, которые создают для колес массу проблем. «Ноги хороши тем, что они обеспечивают передвижение по любой местности, — поясняет Марк Рэйберт (Marc Raibert), основатель Boston Dynamics. — На ногах люди и животные могут добраться до любого уголка Земли, а колесные и рельсовые экипажи ограничены относительно ровными и гладкими поверхностями, такими как дороги».

Но и те колесные роботы, которые специально созданы для движения по пересеченной местности, могут попасть в затруднительное положение. Созданный NASA марсоход Spirit позорно забуксовал в песчаной ловушке на Красной планете в 2009 году и, как известно, остается в ней по сей день.

Неудивительно, что в таких обстоятельствах робототехники долго и с переменным успехом пытались имитировать наш способ ходьбы. Среди прочих появились очень проворные шестиногие роботы-инсектоиды и четвероногие боты-рептилоиды. Но когда дело доходит до двуногого прямохождения (бипедализма), всё оказывается сложнее (когда ног больше двух, сохранять равновесие. Первых двуногих роботов ничего стоило повалить.

В ПОГОНЕ ЗА БИПЕДАЛИЗМОМ

Осознав всю актуальность этой проблемы, такие технологические компании, как Honda и Sony, приняли вызов и создали двуногих роботов Asimo и QRI0 (читается «кьюрио»). Назначение этих роботов-демонстраторов состояло в том, чтобы показать принципиальную возможность достижения этой великой цели — эффективного передвижения на двух ногах. В какой-то мере это удалось. Роботы могут ходить вверх и вниз по лестнице, двигаться по неровной поверхности, бегать, танцевать и выполнять упражнения тайцзи. Но достижениями это можно назвать только с существенными оговорками. Роботы сконструированы так, чтобы всегда быть устойчивыми. То есть если в произвольный момент включить паузу, такой робот должен замереть в неподвижности. Для этого и Asimo, и QRIO запрограммированы ходить на полусогнутых ногах, низко держа центр тяжести. Со стороны кажется, будто у них запор.

Недавно появилась новая идея, в еще большей мере вдохновленная бионическим подходом. Исследовательские группы и компании вроде Boston Dynamics начали демонстрировать достижения в имитации динамического способа удерживать равновесие, который характерен для живых существ. Люди, например, редко занимают по-настоящему устойчивую вертикальную позу — даже когда просто неподвижно стоят. Мы всё время балансируем, непрерывно корректируя свое положение, чтобы оставаться на ногах. А когда идем или бежим, то находимся в состоянии почти постоянного падения вперед, на ходу его предотвращая.

Отчасти этого можно достичь, устанавливая множество сенсоров, чтобы позволить роботу в реальном времени вносить необходимые корректировки. Но компания Boston Dynamics обнаружила, что пристальное внимание к динамическому характеру движений дает дополнительные преимущества. В 2012 году четвероногий робот Cheetah («Гепард») оправдал свое название, поставив мировой рекорд скорости для шагающих устройств. Развив скорость бега 45,5 км/ч, он побил прежний рекорд (34 км/ч) 1989 года. Это стало возможным, потому что ученые поняли, что позволяет настоящему гепарду развивать высокую скорость. Самой заметной из его особенностей оказалась гибкая конструкция позвоночника, которая дает возможность животному наращивать длину скачка без увеличения амплитуды движения ног.

«АТЛАС» НА ПРОГУЛКЕ

Применение тех же идей позволило Boston Dynamics разработать Atlas («Атлас»). Это прямоходящий робот, способный воспроизводить широкий спектр человеческих движений, в том числе ходить по неровным поверхностям и делать гимнастику.

Может показаться, что мы это уже слышали. Но Atlas принципиально отличается от Asimo и QRI0 тем, что ему не требуется заранее изучать окружающую среду, чтобы накладывать на нее запрограммированные движения. Он воспринимает свое окружение прямо на ходу, используя комбинацию стереокамеры и лидара (лазерного аналога радара). Более того, его движения динамичны, то есть он способен реагировать на изменения в окружающей среде. Благодаря динамичности он постоянно предполагает, что находится в неустойчивом положении, внося корректировки посредством исполнительных сервоприводов, за счет которых, как и мы, способен удержаться на ногах, даже если получит удар в момент шага.

На шкале эволюции роботов это колоссальный шаг вперед — не хуже перехода человека от перемещения на четырех ногах к прямохождению. Но Марк Рэйберт скромно оценивает свои достижения. «Между двумя ногами и четырьмя разница не очень велика, — говорит он. — Источник проблем один и тот же».

Всё, что нужно, по словам Рэйбертз, — свести воедино вычисления, сенсоры, изощренную механическую систему и понимание физики задачи. Впрочем, он сразу оговаривается, что до совершенства еще далеко. «Atlas может ходить при соблюдении некоторых условий и демонстрирует многообещающие результаты. Но если сравнить его возможности с тем, на что способен здоровый человек, остается еще огромное поле для совершенствования», — говорит Рэйберт.

Специалистов из NASA возможности «Атласа» настолько впечатлили, что они заказали экземпляр, чтобы на его основе создать собственного участника для соревнований DARPA. Робот, получивший название Valkyrie («Валькирия»), состоит из экзоскелета «Атласа», одетого в обтекаемую белую внешнюю оболочку. К разочарованию NASA, «Валькирия» не показала убедительных результатов на испытаниях и финишировала лишь на секунду раньше робота, занявшего последнее место.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Кроме ходьбы, этот подход может повысить также и сообразительность роботов, которая не менее важна. В конце концов, ноги лишь средство куда-то попасть. Чтобы принести пользу, роботу нужны руки. За десятки лет развития промышленных роботов мы приобрели большой опыт в том, как манипулировать объектами при помощи роботизированных рук. Сейчас существуют весьма реалистичные пятипалые механические руки. Например, такие руки у разработанного в России гуманоидного робота телеприсутствия SAR-401, который в этом году присоединится к космонавтам на борту МКС, чтобы помогать им в выполнении опасных операций в космосе.

SAR-401 в равной мере силен и проворен. Он способен поднимать 10 кг при земной силе тяжести, а управлять им можно дистанционно с помощью специальной перчатки. Какое бы движение ни совершил в перчатке оператор, SAR-401 его повторит. Но при всей ловкости у этого манипулятора нет сенсоров, которые позволили бы астронавту ощущать, к чему прикасаются механические пальцы.

В общем, простор для совершенствования есть всегда, даже в ходьбе. «Нам нужны улучшенные источники питания, улучшенные исполнительные механизмы и улучшенные системы управления. Всё это должно работать совместно, чтобы получился робот, способный перемещаться на нужные расстояния, нести нужную нагрузку и работать в сложной окружающей обстановке», — считает Рэйберт.

КАК ОНИ ДУМАЮТ

Больше всего человекоподобные роботы интересны нам с точки зрения искусственного интеллекта. Но если хочется разумного робота, то имеет смысл присмотреться к устройству самого сложного известного компьютера — человеческого мозга.

Компьютеры очень хороши, когда надо сосчитать число пи до миллиардного десятичного знака. Но когда речь идет о задачах, требующих принятия решения на основе неполной информации, традиционные компьютеры оказываются в большом затруднении. Лучше всего это проявляется при распознавании образов. Роботам пока недоступна человеческая способность узнавать лица, сильно меняющиеся с возрастом.

ЦИФРОВОЙ МОЗГ

Одно из решений было предложено Генри Маркрамом (Henry Markram), директором Центра нейронаук и технологий при Швейцарском федеральном технологическом институте в Лозанне. Маркрам возглавляет «Мозг человека» — смелый проект по созданию детальной суперкомпьютерной модели архитектуры, функционирования и внутренних взаимосвязей всего человеческого мозга. Речь идет о 86 млрд нейронов, а также 100 трлн соединений, связывающих их между собой.

Самые мощные суперкомпьютеры выполняют вычисления со скоростью, измеряемой в петафлопсах — тысячах триллионов операций с плавающей точкой в секунду. Для проекта «Мозг человека» нужны в тысячу раз более мощные компьютеры и электроэнергия, достаточная для обеспечения небольшого города.

СОЗНАНИЕ, КАК У НАС

Но есть и другие способы. Компьютер NeuroGrid, разработанный Куабеной Боахеном (Kwabena Boahen), биоинженером из Стэнфордского университета в Калифорнии (США), содержит один миллион нейронов и использует так называемый нейроморфный подход к компьютерному моделированию деятельности мозга. Он применяет аналоговые сигналы и другие свойства элементов электрических цепей. Это подход дает миллион нейронов и 6 млрд синаптических соединений между ними с использованием небольшой энергии, сравнимой с потреблением биологического мозга. «Главное, что мозг занят далеко не только вычислениями, — рассказывает Боахен. — И самое поразительное, как мало ему на это нужно энергии. Что делает его таким эффективным и производительным?»

Но самый интригующий из всех вопросов — разум. Нейроморфный подход не только обещает нам роботов, не уступающих человеку в части обработки информации. Он также открывает возможность масштабировать решение и получить еще более сложный мозг, чем человеческий.

КАК ОНИ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ

Неважно, насколько умного, ловкого и симпатичного робота вы сделаете. Если люди не поймут, почему им удобно пользоваться, они утратят к нему интерес. Поэтому надо забыть о понятиях программирования и мануалов. Вместо этого нужно разрабатывать таких роботов, чтобы их взаимодействие с людьми было интуитивным. Для робототехники это серьезное затруднение. Человеческая коммуникация очень сложна, имеет массу нюансов и содержит множество едва заметных невербальных сигналов — жестов, мимики, интонаций, подтекстов. И все они имеют значение.

Пожалуй, никто не знаком с этим лучше Хироси Исигуро (Hiroshi Ishiguro), инженера и робототехника из Осакского университета (Япония), который прославился созданием столь реалистичных роботов-двойников людей, что их трудно отличить от оригинала. «Я не только разрабатываю роботов, но также изучаю также природу человека. Многие аспекты того, что означает быть человеком, до сих пор окутаны тайной. Поэтому мы и вкладываем огромные средства в разработку настоящих андроидов, как бы ни были они далеки от конкретных практических применений».

Уровень реализма и детализации тех роботов, которых Исигуро называет геминоидами (Geminoids), действительно впечатляет. Но такой подход вряд ли необходим и даже приемлем. В последних работах Исигуро перешел от одной крайности, убеждающей нас насколько реалистично могут выглядеть роботы, к другой: он создает роботов, обладающих лишь общими человеческими чертами, и предоставляет нам самим восполнять остальное.

«Мои исследования сейчас сконцентрированы на теленоиде (Telenoid). Он выглядит и ведет себя как минималистичный человек. С первого взгляда в теленоиде видно гуманоида, но он выглядит одновременно как мужчина и женщина, как старый и молодой», — рассказывает Исигуро.

Теленоид — это белая голова на туловище, похожем на привидение. Эти роботы создавались как средство коммуникации в системах телеприсутствия с актуаторами, позволяющими воспроизводить простые выражения лица.

Исигуро верит, что при таком простом дизайне и ограниченном наборе выражений лица люди могут легко распознать, говорят ли они с мужчиной или женщиной. То есть теленоид служит пустым шаблоном, который людям предлагается наполнять своими смыслами. Сейчас ведется экспериментальное исследование с участием престарелых датчан, которое позволит понять отдачу от таких новых средств коммуникации.

ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ПРИКОСНОВЕНИЕ

Аналогичный подход успешно опробован более десяти лет назад. Kismet — похожая на гремлина роботизированная голова. Там использовали гипертрофированное детское выражение лица. Робот принимал печальный вид, когда с ним переставали играть, или демонстрировал выражение скуки, когда повторялись одни и те же действия. Эта работа — воплощение замысла Синтии Бризил (Cynthia Breazeal) из Массачусетского технологического института (США). Она показала, что нас не только легко одурачить умильным выражением лица, но и что «зашитые» в нас реакции на потребности ребенка можно использовать для обучения робота.

Сегодня Kismet развился в ухоженного, менее чувственного, но более подвижного бота по имени Nexi у которого также есть руки. Это сочетание позволяет привлекать Nexi к выполнению сложных социальных задач, таких как «совместное внимание», когда двое или больше людей с помощью жестов или взглядов указывают, что они имеют в виду.

Подобные умения — это строительные блоки человеческой коммуникации. Поэтому их используют, чтобы убедиться, например, что робот не будет просто смотреть на кончик вашего пальца, когда вы на что-то указываете, как это делают некоторые собаки. Это как пансион благородных девиц для роботов, где обучают социальным навыкам, которые помогут им жить в нашем мире и сделают их чуть более похожими на нас.

Вам понравится

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Поделиться записью в соц. сетях