211service.com
Robo Sværm
I marts i år vandrede computerforsker Radhika Nagpal fra Harvard University og hendes kolleger 16 kilometer om dagen gennem en tropisk ø midt i Panamakanalen og ledte efter hærmyrer. Insekterne arbejder sammen i grupper på titusinder eller endda hundredtusinder for at beskytte deres dronning og larver, ved at bruge deres egne kroppe til at skabe og vedligeholde en midlertidig rede. Men der er ingen leder blandt dem, ingen værkfører eller chef. Væsenerne skaber disse komplekse strukturer som et kollektiv.
Om morgenen den anden dag havde Nagpal ledt i timevis, da Mike Rubenstein, en robotiker ved Northwestern University, ved et uheld trådte på en rådden træstamme. Hans gummistøvle gik lige igennem skoven. Straks skyndte Nagpal sig over for at se insektsværmen reparere deres beskadigede rede. Hun strålede, husker biolog Simon Garnier fra New Jersey Institute of Technology, ekspeditionens ledende videnskabsmand. Nogle gange ville jeg ønske, at mine egne elever var mere som dette.
Nagpal var i Panama for at lære af myrerne - eller i det mindste hente inspiration. Som førende inden for det spirende felt af sværmrobotik eller kollektiv kunstig intelligens, spænder hun over flere felter, herunder maskinteknik, industrielt design og endda adfærdsbiologi. Før hun designede robotter, der arbejder sammen om at bygge simple strukturer, rejste hun og hendes kolleger til Namibia for at studere termitter på tæt hold, og turen til Panama lancerede et nyt projekt inspireret af hærmyrer. (Antallet af aktuatorer, en myre har, får en robotiker til at græde, siger hun.) Men hendes laboratorium er bedst kendt for at bygge en gruppe på 1.024 enkle, identiske lavprismaskiner, hun kalder kilobots. De squatte, cylindriske robotter udfører grundlæggende opgaver som en gruppe. Der er ingen leder blandt dem. Der er heller ingen menneskelig indblanding. De er en sand kunstig sværm.
En af Nagpals 1.024 kilobots
De potentielle anvendelser for robotkollektiver varierer meget, fra robobier til eftersøgnings- og redningsarbejde til autonome konstruktionskøretøjer, der kunne bygge levesteder på månen eller Mars forud for bemandede missioner. Men disse futuristiske visioner er ikke det, der driver Nagpal. På et niveau, ja, det kan føre til ansøgninger, men det handler også om videnskabelig opdagelse, siger hun. Pointen er at være i stand til at opdage ny viden og ikke nødvendigvis at vide, hvordan det kommer til at påvirke menneskeheden 20 år nede ad vejen.
Nagpals forskning er blevet vist på forsiden af Videnskab og Natur , og i 2014 blev hun citeret som en af Natur 's 10, en årlig liste over mennesker, der betyder noget i videnskaben. Hun er bestemt en genial videnskabsmand, tilføjer Garnier. Men hun mistede heller aldrig børns nysgerrighed.
At finde sin egen vej
Nagpal, 45, er opvokset i Indien, som hun beskriver som et land, hvor intelligens hos piger ikke var værdsat og endda problematisk. Som en klog pige, der voksede op, blev det gjort meget klart, at de helst ville have haft, at drengene var kloge, husker hun. Piger skulle lære at lave mad, ikke kode. Og hvis en pige udmærkede sig akademisk, var medicin en af de få acceptable veje.
Så Nagpal besluttede, at alt, selv fjernt knyttet til medicin, såsom biologi, var ulovligt. Hele min strategi var flugt, siger hun. Hvis der var en forudbestemt vej for kvinder, ville jeg ikke gå den vej, bare af frygt for at blive låst ind i det system og aldrig være i stand til at træffe en anden beslutning på egen hånd.
På trods af de kulturelle normer tillod Nagpals forældre - hendes far er en maskiningeniør, der fik sin ph.d.-grad ved Georgia Tech - hende at gå på MIT. Som førsteårsstuderende benyttede hun sig af bestået/ikke-bestået karaktersystemet til at tilmelde sig den indledende computerklasse 6.001. Jeg troede, det ville blive svært, siger hun, men så elskede jeg det.
Radhika Nagpal siger, at hun og hendes gruppe ikke længere navngiver de mere end 1.000 robotter i hendes laboratorium.
Som kandidatstuderende i 1996 læste Nagpal Amorphous Computing, en nyudgivet hvidbog, hvori hendes rådgivere, Harold Abelson, PhD '73, og Gerald Jay Sussman '68, PhD '73, og andre beskrev en usædvanlig retning for datalogi. De fokuserede ikke på individuelle, kraftfulde computere, men på programmerbare mængder lavet af simple maskiner, der, når de arbejdede sammen, kunne producere komplekse resultater. Selvom eksisterende teknologi ikke var klar til at understøtte visionen, blev konceptet grundlaget for hendes ph.d.-studier.
Da hun avancerede, giftede sig og stiftede sin egen familie, nægtede Nagpal at lade sin karriere knuse hendes andre passioner: maling, dans og generelt leve et fuldt, afbalanceret liv. Efter at have fået en stilling som juniorfakultet ved Harvard i 2004, forsømte hun akademisk politik, afviste at deltage i laboratoriesessioner hele natten og gjorde det til en politik ikke at tjekke e-mail i weekenden. Disse beslutninger, detaljeret i en 2013 Scientific American blogindlæg kaldet The Awesomest 7-Year Postdoc eller: How I Learned to Stop Worrying and Love the Tenure-Track Faculty Life, gav genlyd i og uden for den akademiske verden. En af hendes kolleger forudså, at hendes indlæg nok ville blive hendes mest læste værk. Alligevel formåede Nagpal stadig at opnå ansættelse og mulighed for at forme sit ideelle laboratorium – et afbalanceret, mangfoldigt kollektiv, der er i stand til den slags lederløse interaktioner, hun studerer i naturen, men stadig åben for vejledning og instruktion fra en vis velafrundet professor.
Skaber en kiloswarm
For nylig, næsten to årtier efter at hun havde læst hans hvidbog, inviterede Nagpal Abelson til sit laboratorium for at se den amorfe computer blive virkeliggjort i form af de 1.024 kilobots. Hver robot står på tre papirklips-tynde metalliske ben og er lille nok til at gemme sig i dine lukkede hænder. De bevæger sig, når to små motorer – den slags, der får smartphones til at vibrere – aktiveres, hvilket får bots til at glide hen over glatte overflader; de kommunikerer med hinanden ved at kaste infrarøde signaler fra gulvet. De har ikke engang en strømafbryder, da det ville have betydet at bruge en time på bare at tænde dem alle. I stedet lavede forskerne en tryllestav, der transmitterer et infrarødt signal, der instruerer robotterne om at tænde eller slukke.
Da Nagpal og Rubenstein, hendes postdoc på det tidspunkt og hendes vigtigste samarbejdspartner på projektet, satte sig for at bygge deres kilobotsværm, var feltet så ungt, at det største kollektiv, hendes gruppe havde bygget, var tre maskiner. Ingen havde tusinde robotter, husker hun. Hundrede blev betragtet som et meget, meget stort tal. At komme til tusind virkede som en umulig opgave, men samtidig følte du, at hvis du gjorde det, så ville du lære noget, som du umuligt kunne have lært på en anden måde.
En af de første lektioner var, at mens visse algoritmer fungerede perfekt med snesevis af robotter, afslørede brugen af disse programmer med et langt større antal fejl. Selvom de var designet til at være nøjagtig ens, er nogle af robotterne lidt hurtigere eller langsommere, og da Nagpal og gruppen kørte et selvsamlingsprogram, hvor sværmen skulle forvandle sig fra en amorf klat til en given form såsom en skruenøgle eller en søstjerne, var en enkelt haltende bot et stort problem. Hver langsom robot eller hver robot, der opfører sig dårligt, var en trafikprop og kunne bringe hele systemet ned, siger hun. Alligevel skabte disse outliers ikke sådanne problemer i mindre kollektiver på mindre end 100 robotter.
Generelt lærte Nagpal, at både variation - for eksempel langsomme og hurtige robotter - og sjældne fejl, såsom en kilobot, der simpelthen holdt op med at virke, var naturlige træk ved et stort system. Når du kørte tusinde robotter i flere timer, skulle nogle køre med forskellige hastigheder, og nogle skulle gå i stykker. Dette var ikke en kæmpe overraskelse; hun havde set den naturlige ækvivalent i Namibia og andre steder. Individuelle insekter opførte sig ofte anderledes og marcherede kortvarigt i den forkerte retning, men alligevel fungerede kollektivet. Så i stedet for at forsøge at bygge perfekte maskiner eller redigere algoritmerne, besluttede hun at udvikle et andet sæt algoritmer, der retter fejl og variationer. Nu, hvis en kilobot fejler, vil dens naboer beordre den til enten at genstarte eller, hvis det mislykkes, erklære sig selv død. Sidstnævnte strategi svarer til sværmen at tænde for dine farer på motorvejen og bede alle om at køre rundt om dig. Det virker: blandt andre opgaver kan kilobotterne programmeres til selv at samles til bestemte former uden nogen indblanding fra forskerne. I en separat indsats byggede Nagpal og hendes kolleger et lille kollektiv af mere komplekse robotter, der samarbejdede om at bygge grundlæggende strukturer. Dette var projektet, der udløste turen til Namibia. Forskerne havde planlagt at lade deres robotter bygge med solide, geometriske skumsten, indtil de så termitter i Namibia bygge med bøjeligt, eftergiveligt ler. Da de kom tilbage til laboratoriet, besluttede de at bygge yderligere robotter, der kunne flytte sandsæklignende materialer og amorft skum. Alligevel havde turen også et motiverende formål. Den anden indflydelse var bare at blive forbløffet og genoplivet over, hvor effektiv kollektiv intelligens kan være, siger hun.
Nagpal håber, at den panamanske ekspedition vil have samme effekt på hendes næste projekt - en slags hybrid af kilobots og byggerobotter. Hendes plan er at designe robotter, der opfører sig som hærmyrer og bruger deres egen krop som de grundlæggende byggematerialer. Målet er svært, og Nagpal anerkender opgavens storhed. Alligevel har hun gjort det til en regel at nå forbi det plausible. Vores drømme er ofte ud over grænserne for, hvad der er muligt, siger hun. Men det er også rigtigt, at halvvejs til drømmene stadig er ret cool.