Вчені допомагають роботам еволюціонувати – дивно чи цілком зрозуміло?

Еволюція роботів? Нещодавно це звучить як наукова фантастика, а сьогодні – це реалії. Які результати одержують учені під час своїх досліджень і які висновки вони роблять – читайте в перекладі матеріалу видання Wired.
Еволюція – це подорож. З одного боку, це простий механізм: ті, хто пристосовуються до свого середовища, мають більше нащадків, а особини з низьким рівнем адаптації – розмножуються не настільки активно, в той час як їхні гени взагалі фільтруються з системи. Але з іншого боку, еволюція призвела до появи дивного кількості організмів. Деякі тварини мають оперені крила, інші – мембрани між пальців. Деякі біжать на двох ногах, інші на чотирьох. Кожен пристосовується до свого середовища по-своєму.
Еволюція неймовірно потужна, і це та сама сила, в якій робототехніки шукають натхнення для своєї роботи. В рамках підтвердження обґрунтованості концепції, команда вчених з Австралії досліджує, як еволюційні алгоритми можуть створити робо-ноги, призначені для переміщення по конкретних поверхнях. Результати одночасно логічні, парадоксальні і дивні, а також підштовхують робототехніків на новий спосіб створення ходячих машин.
Дослідники починають з 20 рандомізованих форм цифрових ніг, обмежених до певного розміру (тобто, не слід очікувати 5-метрових ніг з фільмів жаху). Кожна схема ґрунтується на елементах, які називаються кривими Безьє.
“Крива Безьє – це коли ви знаходитесь в Microsoft Paint, і визначаєте криву, клацнувши на пару контрольних точок, але в трьох вимірах, – пояснює науковий співробітник Девід Ховард (David Howard) з Державного об’єднання наукових і прикладних досліджень Австралії. – Система проектує ці криві на решітку 3D пікселів, відомих як воксели. Де крива перетинається з вокселем, ми розміщуємо матеріали в цей воксель. Все інше пусте”.
Це надає кожній схемі свою унікальну форму.
Симуляція перевіряє придатність і пристосованість даної ноги для ходіння по одній з трьох поверхонь: жорсткий грунт, гравій або вода. Тільки замість того, щоб вибирати такі можливості, як зір або маскувальне забарвлення, як було б при природному відборі, система вибирає, скільки крутних моментів повинен зробити механізм, щоб змусити ногу йти по одній із поверхонь. Іншими словами, хороша нога – енергоефективна нога. Також був бонус за ноги, які потребували значно меншій кількості матеріалу.
«Якщо у нас є гравійна поверхню, по якій іде нога, ми розраховуємо сили, що діють на кожному камінчику гравію», – каже Говард. – Це дає нам чітке уявлення про те, що насправді робить нога в навколишньому середовищі». Те ж саме з водою і твердим грунтом.
Далі дослідники приймають ці оригінальні 20 ніг і об’єднують їх з тими, що продемонстрували себе найкращим чином. Тобто, вибирають найбільш придатні ноги для створення дочірніх ніг. «Ми просто робимо це знову, знову і знову», – каже Говард. Протягом сотні поколінь. Зрештою, вони видалили половину популяції з найнижчими показниками, як несприятливі фактори навколишнього середовища, які можуть знищити популяцію тварин. І тоді ми отримуємо автоматичну адаптацію до навколишнього середовища».
Подивіться на зображення вище. Зверху розташовані ті ноги, які за визначенням еволюційного алгоритму, найбільш ефективно будуть ходити по твердому грунту. Середня рядок краще всього підійде для гравію, а нижня для води.
Ноги, що мають лезвиоподобную форму, добре підходять для ходіння по твердій землі. Через те, що поверхня тверда, кінцівки не будуть проникати в грунт. «Ось чому ноги для гравію дещо товщі, їм потрібні більш широкі сліди», – розповідає Говард. Це допомогло б ногах ходити по гравію, не провалюючись. Як снігоходи.
Товсті ноги адаптовані для води? Вони трохи загадкові.
“Вода була незвичайною завданням, ми розраховували на лезвиобразные моделі, як і у випадку з ґрунтом”, – розповідає Ховард” – Це дозволило б розрізати воду. Крім того, ми очікували, що система буде віддавати перевагу більш тонким ніг. Але вона не надала. Ми не впевнені – чому саме».
Також трохи дивними є виступи, які можна побачити на деяких ногах, особливо ґрунтових. «Бажана теорія полягає в тому, що вони насправді служать своєї мети. Але, дійсно, коли ми зображуємо криві Безьє в воксельної решитке, то крива, яка видається недоцільною, насправді є набагато більшою частиною кривої, яка забезпечує структуру всередині ноги» – каже Говард. Виступи виглядають «металево як ніколи», але вони просто артефакти, які, ймовірно, не допомагають або не заважають продуктивності ноги. Ховард і його колеги налаштували систему, щоб автоматично виявляти і видаляти.
Дослідники також надрукували ці ноги на 3D принтері і прив’язали їх до робота-гексаподу. Тепер планується перевірити, як вони справляються зі своїм завданням на реальній поверхні порівняно з ногами, розробленими людьми. Команда вже завантажила в симулятор стандартні людські ноги, і помітила, що ноги, отримані «шляхом еволюції» нічим не поступаються і навіть перевершують штучні ноги.
Але навіщо проходити з-за проблем еволюційного симулювання роботів? По-перше, дослідники можуть надати роботу вузьку спеціалізацію для того, щоб він ходив у певній області, а не покладатися на ноги загального призначення. Теоретично, це дозволить роботу ефективніше впоратися з ходінням в певних ситуаціях навколишнього середовища, наприклад, піщаними дюнами.
“Якщо ви хочете використовувати робот в іншому середовищі, ви можете просто перезапустити алгоритм, – каже Тоннес Нигард (Tonnes Nigard), який вивчає роботів, які змінюють форму під впливом еволюції в Університеті Осло (але не брав участь в цій новій роботі). – Якщо ви робите це в системі, яку створили і призначили для однієї конкретної програми, то можете не мати можливості приєднатися до процесу на пізній стадії».
Власна система Нигарда, чотириногий робот з телескопічними ногами, насправді розвивається в процесі. Через проби і помилки він вчиться ходити, наприклад, по крижаній поверхні, вкорочуючи ноги, щоб знизити центр ваги. У приміщенні, він може подовжити їх для більш довгих кроків і, отже, більш ефективного руху. Може коли-небудь вдасться поєднати ці два методи: використовувати симуляцію, щоб отримати гарний дизайн ноги, а потім впровадити його в реальну машину.
І якщо в еволюції щось виходить добре, то це дивує.
«Еволюція шукає набагато більш широкі простору», – каже Говард. – Її не хвилює те, на що саме схожі його твори. Це може виглядати зовсім несхоже на роботу технолога. Але якщо це працює – це єдине, що має значення».