211service.com
Byg morgendagens robotter
MIT datalog Daniela Rus drømmer om vores robotfyldte fremtid. 24. oktober 2017
Josh Mathews
Da Brandon Araki ankom til MIT i 2015 som masterkandidat i maskinteknik, medbragte han picobugen, en lillebitte robot, der kan flyve, kravle og gribe små genstande. Før Araki kom til Daniela Rus' Distributed Robotics Lab (DRL), havde han arbejdet med samarbejdspartnere på flere universiteter på den lille autonome maskine, som vejer 30 gram og passer i hans håndflade. Han var ikke helt sikker på, hvad han ville gøre med picobugen, men da hans nye chef så den i aktion, blev hun betaget. Jeg vil have hundrede af dem! sagde Rus.
Denne anmodning var ikke kun grådig begejstring. Rus, der fungerer som direktør for Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), forestiller sig en fremtid fyldt med autonome maskiner, der er i stand til at flyve, køre bil, udføre simple operationer og meget mere. Min store drøm er at få en verden med omsiggribende maskiner, gennemgående robotteknologi integreret i hverdagens stof, der hjælper alle med fysisk arbejde og kognitive opgaver, siger hun.
Et projekt med det formål at designe robotter, der er nemme at bygge, producerede disse funktionelle robotter lavet af trykt plastik.
I tilfældet med Arakis projekt forestiller hun sig en flåde af større autonome droner, der glider rundt i en by og leverer pakker. Men det er blot et af de snesevis af systemer, Rus og hendes forskere er ved at udvikle, som kan påvirke mange områder af hverdagen. For nylig har de demonstreret robotter i pillestørrelse, der kan bevæge sig rundt i kroppen for at reparere indre sår. De har programmeret droner til at parre sig med selvkørende biler ved at flyve foran og scanne blinde vinkler. De har udviklet nye kommunikationsteknikker og sikkerhedsmodeller til multirobotsystemer. Hendes laboratorium har produceret en ny robothånd, en 3-D-printet fisk, der svømmer som den ægte vare, et bærbart navigationssystem til blinde mennesker, stødabsorberende robotskind og meget mere.
Rus, vinder af MacArthur genistipendium i 2002, har opnået verdensanerkendelse for sin banebrydende arbejde i modulære og rekonfigurerbare robotter, multirobotsystemer og kontrolalgoritmer. Hun er vinder af National Science Foundation Career Award og stipendiat i Association for the Advancement of Artificial Intelligence, IEEE, AAAS og Alfred P. Sloan Foundation, for blot at nævne nogle få af hendes hædersbevisninger. Mange af de ting, hun har lavet, ligner magi i begyndelsen, fordi det er disse geniale ideer, ingen har tænkt på, siger robotiker Hod Lipson fra Columbia University. Hun er forud for sin tid.
Og hendes elever lærer at dele hendes fantasifulde, men stringente tilgang til robotteknologi. Sammen med andre samarbejdspartnere præsenterede hun og hendes studerende 15 artikler på 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation i Singapore, der dækker alle områder af feltet, fra nye algoritmer til nye typer hardware. Det er et utroligt produktivt laboratorium, og de producerer virkelig forskellige projekter, som alle er kreative og tackler et eller andet problem på en så solid måde, siger computerforsker Radhika Nagpal fra Harvard University. Den tekniske skønhed ved matematikken i hendes arbejde er én ting, men der er også en hel del teknisk skønhed i de robotter, hun bygger. At opnå begge dele er usædvanligt. At opnå begge dele på så mange forskellige områder, som hun gør, er helt usædvanligt.
Assorterede origami-inspirerede robotter fra flere projekter står på hylderne i Rus' laboratorium. Flere er selvfoldende.
Krop og hjerne
Rus, 54, er født og opvokset i det kommunistiske Rumænien, hvor hendes interesse for fantastisk teknologi blev vakt i en tidlig alder. Hendes far var datalog, og hun blev tiltrukket af gadgets Star Trek , Jules Vernes teknologi og en usædvanlig hollandsk tegneserie, Barbapapa , der indeholdt en familie af formskiftende klatter, inklusive en opfinder, der byggede fantastiske maskiner. Efter at hendes familie emigrerede til USA, studerede hun datalogi og matematik ved University of Iowa og forfulgte derefter sin ph.d. under den berømte computervidenskabsteoretiker John Hopcroft ved Cornell University. (John sagde, at mange af de klassiske algoritmer blev løst, og at nu var det tid til de store applikationer, husker hun. Og for ham betød de store applikationer robotteknologi.) Men da hun udviklede algoritmer til at hjælpe robotter med at forstå og manipulere objekter for sin doktorgradsforskning fandt hun ud af, at robotsystemernes muligheder i slutningen af 1980'erne og begyndelsen af 1990'erne ikke matchede science fiction-visionerne fra hendes barndom. Jeg havde disse smukke algoritmer, der fungerede meget godt i simulering, husker hun, men der var ingen robotfingre, der kunne udøve den slags kræfter og drejningsmomenter, som mine algoritmer havde brug for.
Efter Cornell blev Rus professor i datalogi ved Dartmouth College, hvor hun grundlagde Dartmouth Robotics Lab. Hun havde allerede arbejdet på teams af robotter, der optrådte i forening og udvidede sit fokus til at omfatte modulære, selv-rekonfigurerende robotter, der kunne antage forskellige former og former - meget ligesom karaktererne i tegnefilmen fra hendes barndom. Alligevel løb hun ind i den samme udfordring. Disse systemer kunne kun demonstreres fuldt ud i computersimuleringer. De faktiske maskiner til at udføre hendes algoritmer var endnu ikke bygget.
Hun skaber en atmosfære, hvor folk er mere tilbøjelige til at være kreative og prøve noget, der måske ikke på forhånd giver mening, men som ville være rigtig vildt og cool, hvis det var muligt. — Radhika Nagpal
Rus indså, at for at robotter virkelig kunne være i stand, skulle deres hjerner og kroppe være lige så avancerede. Man har brug for en hjerne, der kan styre kroppen, men kroppen skal være i stand til den opgave, man giver den, siger hun. Så du skal tænke på kroppens evner, derefter videnskaben og matematikken, der giver kroppen det kontrolsystem, den har brug for.
I 2003 sluttede Rus sig til fakultetet på MIT, tog sit laboratorium med sig og omdøbte det til Distributed Robotics Lab for at tilpasse sig hendes vision: en fremtid med gennemgående robotter. Hun blev meddirektør for CSAILs Center for Robotics i 2005 og CSAILs associerede direktør tre år senere; i 2012 overvejede hun at tage et sabbatår og starte en startup. Hendes passion for forskning var ikke falmet - hun ledte simpelthen efter noget andet. Så erfarede hun, at direktørstillingen åbnede hos CSAIL. Det er sådan en ekstraordinær organisation, og den har spillet så stor en rolle i at forme fremtiden, siger hun. At være i stand til at være med til at forme, hvordan CSAIL bevæger sig fremad, at hjælpe med at gøre det mere virkningsfuldt - det var lidt ligesom den amerikanske drøm.
Sabbatet kunne vente.
En quad-rotor robot sidder på toppen af en hjulbaseret robot, der er modelleret efter Mars rovere; begge blev designet med billige materialer. Quad-rotor bot er blevet brugt til at spore hvaler og til at demonstrere flyvende kameraer til vedvarende overvågning.
Styre CSAIL
CSAIL var allerede veletableret som verdens førende forskningscenter for datalogi, da Rus – den første kvinde til at lede laboratoriet – overtog i 2012. I dag tæller CSAIL syv MacArthur-vindere, otte Turing Award-modtagere og en ridder (Tim Berners- Lee). MITs største forskningslaboratorium, det huser 115 hovedforskere (PI'er), hundredvis af videnskabsmænd og studerende og mere end 800 forskningsprojekter. Der er mange ideer her, og hver af vores PI'er er en stor drømmer, siger Rus. Vi er en slags forening af drømme, og min rolle er at sørge for, at vi har miljøet til at dyrke disse store drømme og ideer.
For at gøre det arbejder Rus på at opretholde en kultur, der understøtter vækst hos alle hos CSAIL, fra administrativt personale til fakultetsarrangører. Hun forsøger at bevare en følelse af fællesskab gennem de sædvanlige metoder, herunder regelmæssige møder, sociale sammenkomster og symposier. Men hendes indsats på denne front spænder også fra det intenst personlige – en robotiker talte om, hvordan hun hjalp ham gennem en skilsmisse – til det finurlige. Engang blev et klaver, som Rus havde købt til sin datter, ved en fejl sendt til laboratoriet i stedet for hendes hjem, og folk begyndte at sætte sig ned i løbet af dagen for at spille. I løbet af de to uger lærte jeg, at mange af mine elever faktisk var meget talentfulde kunstnere, husker hun. En dag hørte jeg en af eleverne spille Chopin, og det var så smukt. Da klaveret blev fjernet, købte hun et keyboard til laboratoriet, og de improviseret koncerter fortsatte.
De to andre søjler i hendes strategi for at lede CSAIL – ressourcer og ideer – er direkte relaterede. Rus identificerer de problemer i computing, der kan have den største effekt, og forfølger derefter partnerskaber for at sikre den nødvendige finansiering til at tackle dem. Et big-data-initiativ rullede ud, lige da hun blev direktør i 2012, og hun har siden lanceret yderligere fire større industri- eller regeringssponserede initiativer med fokus på cybersikkerhed, autonome køretøjer, maskinlæring og sundhedspleje.
For eksempel smedede Rus et 25 millioner dollars program for autonome køretøjer med Toyota og dannede Toyota-CSAIL Joint Research Center. I stedet for helt førerløse biler som dem, Google eller Uber forsøger at bygge, forestiller hun sig køretøjer udstyret med laserafstandsmålere og andre avancerede sensorer, der kunne bruges til at hjælpe folk med at køre sikkert i overfyldte byer eller dårligt vejr. Bilen ville kun overtage fuldstændig kontrol, hvis du for eksempel nærmede dig et sving farligt hurtigt, eller skiftede vognbane, når en anden bil allerede var der.
Alene dette projekt omfatter 17 forskellige projekter, der involverer forskellige CSAIL-laboratorier, inklusive hendes egen DRL og grupper, der fokuserer på computersyn, maskinlæring og sensorudvikling. Jeg er meget interesseret i projekter, der går på tværs af flere felter inden for computing og er større end hvad hver enkelt forsker kan, forklarer hun. Som direktør ser Rus også sig selv som en talsmand for laboratoriet, en slags videnskabsmandshistoriefortæller, der bogstaveligt talt rejser verden rundt og forkæler forskere ved konferencer og møder med fortællinger om CSAILs seneste bedrifter. Nagpal siger, at Rus' samtaler inspirerer hendes egen gruppe på Harvard, og hun har mistanke om, at hun har samme effekt på andre. Hun er den person, der får dig til at føle, at det her burde være sjovt, siger Nagpal. Hun skaber en atmosfære, hvor folk er mere tilbøjelige til at være kreative og prøve noget, der måske ikke på forhånd giver mening, men som ville være rigtig vildt og cool, hvis det var muligt.
Autonomi videnskab
Rus siger, at arbejdet i DRL er beregnet til at fremme videnskaben om autonomi. Projekter følger generelt den samme brede metode. De fleste starter med at identificere og forstå et problem og forestille sig de robotter, der kunne løse det (uanset om de allerede eksisterer eller skal bygges fra bunden). Derefter udvikler forskerne algoritmer til at styre maskinerne, køre dem i simulering og til sidst teste dem i den virkelige verden.
Resultaterne udfordrer ofte standarddefinitionen af robotter. I 2016 introducerede Rus, maskiningeniørstuderende Steven Guitron, CSAIL postdoc Shuguang Li og kolleger fra andre institutioner en origami-inspireret indtagelig robot. For at få det til at virke, skulle de designe en robotkrop, der kunne komprimeres til en kapsel på størrelse med en pille, og derefter folde sig ud og udføre opgaver, når kapslen var opløst. Miniaturemaskinen er endnu ikke testet in vivo, men Rus siger, at fremtidige versioner kan være mikrokirurger, der udfører operationer uden snit eller fysisk smerte.
Hun siger, at vi er nødt til at tænke på den teknologi, vi har brug for for at skabe 10 år fra nu, hvordan vi tænker på problemer, der ikke bare er vigtige for den næste iteration, men de næste hundrede iterationer af en teknologi, siger postdoc Cristian-Ioan Vasile.
Origami-robotterne knytter sig til hendes tidligere arbejde med selvrekonfigurerende maskiner, men de afspejler også en større indsats for at genskabe robotkroppen. Rus lancerede Soft Robotics Group i sit laboratorium på grund af hendes overbevisning om, at stive, stive maskiner har for mange begrænsninger. Et af gruppens første medlemmer, Robert Katzschmann, lavede en 3-D-printet fisk med fleksible aktuatorer eller kunstige muskler. Senere, mens han arbejdede sammen med andre medlemmer for at forbedre en robots evne til at gribe skrøbelige genstande - svarende til den opgave Rus forsøgte at løse i sit ph.d.-arbejde - ombyggede Katzschmann de aktuatorer, han havde udviklet til fisken for at hjælpe med at konstruere en ny slags hånd til humanoide robotter som Baxter. (Baxter er udtænkt af den tidligere CSAIL-direktør Rodney Brooks og hans firma, Rethink Robotics.) I modsætning til fortidens stive robotformer kan Katzschmanns bløde, trefingrede hånd bøje og føle, så den kan opfange en bredere vifte af objekter -og identificer dem uden at bruge synsalgoritmer.
Robotblomster, som kan fås til at blomstre eller skifte farve med en tablet, er designet til at interessere børn i robotteknologi.
Rus arbejder også på at forbedre robotters evne til at ræsonnere og træffe gode beslutninger. Vasile udvikler algoritmer, der sørger for, at selvkørende biler altid kører sikkert, undgår kollisioner med andre køretøjer og fodgængere, og som også finder den rette balance mellem at opfylde færdselsreglerne og nå deres destination effektivt. (For eksempel kan standardtilstanden for ophold i højre vognbane blive tilsidesat af behovet for at komme rundt på en byggeplads.) Alligevel kan en smart bil kun træffe beslutninger baseret på de data, den har adgang til. Køretøjet vil for eksempel ikke være i stand til at se rundt om hjørner i en tæt parkeringskælder. Så en anden DRL-gruppe parrede en robotbil med en autonom drone. Da bilen identificerer blinde vinkler, flyver dronen frem, scanner disse områder for potentielle farer og sender derefter videoen tilbage til køretøjet til behandling.
Tilsvarende, for at Araki kunne bygge den robotsværm, Rus bad om, måtte han gentænke både de fysiske robotter og deres kontrolsystemer. Han byttede benene på picobugen ud med mere pålidelige, nemmere at kontrollere hjul. Dernæst skulle han finde ud af, hvordan hans robotter ville finde vej rundt i et simuleret bymiljø. Han havde aldrig designet denne form for kontrolsystem - hans baggrund er i maskinteknik - men Rus forventer, at hendes elever er alsidige. Så han tilpassede en algoritme designet til at hjælpe sværme af robotter med at planlægge hurtige og kollisionsfrie ruter. Da hans robotter kunne flyve, modificerede Araki algoritmen, så den også ville udvides til køretøjer, der bevægede sig over fortovet, og derefter optimeret den til effektivitet, så dronerne ikke hurtigt ville løbe tør for batteristrøm. Indtil videre har han bygget otte af dem, og med hjælp fra Rus og andre laboratoriemedlemmer demonstrerede han, at de flyvende biler kan lyne rundt i en ni kvadratmeter stor modelby uden at kollidere.
Kommunikation er den anden nøgle til at realisere Rus' robotfyldte fremtid. Hvis sværme af dygtige maskiner skal fungere i den virkelige verden, uanset om de flyver, kører eller ruller rundt i et hjem, bliver de nødt til at kommunikere mere effektivt med hinanden og med mennesker. Med Rus' hjælp udviklede DRL-datamatiker Stephanie Gil algoritmer, der gør det muligt for robotter at fornemme variationer i trådløs signalstyrke, vurdere, hvor signalerne kan være bedre, og skifte til disse steder for at forbedre deres evne til at kommunikere. Dette kunne være kritisk, hvis du skulle sende en flåde af robotter til stedet for en naturkatastrofe, forklarer Gil, da det ville give flere maskiner mulighed for effektivt at gennemsøge rummet og hurtigt dele kritisk information med hinanden og eventuelle menneskelige embedsmænd.
Ved at lære mere om, hvordan trådløse signaler forplanter sig, fandt Gil også en måde at gætte den sandsynlige kilde til et givet signal på, og om det stammede fra en kendt enhed, såsom en anden robot i rummet eller en uidentificeret part. Vi kan identificere, om der er en spoofer eller ondsindet agent, der tilføjer oplysninger til billedet, som faktisk ikke er gyldige, siger hun. Hvis Rus' vision går i opfyldelse, kan dette vise sig at være utrolig vigtigt. En hacker, der overtager din computer, er truende nok. Forestil dig nu den person, der griber det digitale hjul i din selvkørende bil.
Selvom de kan virke som forskellige projekter for udenforstående, er forbindelserne mellem områder som robotfisk, sikkerhed, autonome biler og droner tydelige for Rus og hendes elever. Man tror måske, at disse ting er usammenhængende, men der er et større billede, siger Katzschmann. Hvis du vil lave robotter, der kan ting, som alle kan gøre brug af, skal du have innovationer på en masse forskellige områder. Daniela har den vision, der i sidste ende vil bringe alle disse ting sammen.
Det er den vision, der motiverer hende til at afslutte en TEDx-tale sent en aften og stadig mødes med sine laboratoriemedlemmer næste morgen, eller flyve til Kina i 24 timer for at diskutere et potentielt forskningspartnerskab og derefter genoptage sit arbejde næste dag. Der er ikke plads til hvile, når du bygger fremtiden. For tyve år siden var beregning forbeholdt de få eksperter, og se nu på, hvor vi er i dag, siger hun. Beregning har virkelig revolutioneret, hvordan vi arbejder, hvordan vi lever, og hvordan vi leger, og jeg vil gerne se den samme slags påvirkning fra robotter.