211service.com
Bygger morgendagens roboter
MIT dataforsker Daniela Rus drømmer om vår robotfylte fremtid. 24. oktober 2017
Josh Mathews
Da Brandon Araki ankom MIT i 2015 som en masterkandidat i maskinteknikk, tok han med seg picobugen, en liten robot som kan fly, krype og gripe små gjenstander. Før Araki begynte i Daniela Rus' Distributed Robotics Lab (DRL), hadde han jobbet med samarbeidspartnere ved flere universiteter på den minimale autonome maskinen, som veier 30 gram og passer i håndflaten hans. Han var ikke helt sikker på hva han kunne gjøre videre med picobugen, men da den nye sjefen hans så den i aksjon, ble hun slått. Jeg vil ha hundre av dem! sa Rus.
Denne forespørselen var ikke bare grådig spenning. Rus, som også fungerer som direktør for Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), forestiller seg en fremtid full av autonome maskiner som kan fly, kjøre bil, utføre enkle operasjoner og mer. Min store drøm er å ha en verden med gjennomgripende maskiner, gjennomgripende robotikk integrert i hverdagslivet, hjelpe alle med fysisk arbeid og kognitive oppgaver, sier hun.
Et prosjekt med sikte på å designe utskrivbare, enkle å bygge roboter produserte disse funksjonelle robotene laget av trykt plast.
Når det gjelder Arakis prosjekt, ser hun for seg en flåte av større autonome droner som glider rundt i en by som leverer pakker. Men det er bare ett av dusinvis av systemer Rus og forskerne hennes utvikler som kan påvirke mange områder av hverdagen. Nylig har de demonstrert roboter i pillestørrelse som kan bevege seg rundt i kroppen for å reparere indre sår. De har programmert droner til å pare seg med selvkjørende biler ved å fly foran og skanne blindsoner. De har utviklet nye kommunikasjonsteknikker og sikkerhetsmodeller for multirobotsystemer. Laboratoriet hennes har produsert en ny robothånd, en 3D-printet fisk som svømmer som ekte vare, et navigasjonssystem for blinde personer som kan bæres, støtabsorberende robotskinn og mer.
Rus, en MacArthur genistipendvinner i 2002, har fått verdensanerkjennelse for henne banebrytende arbeid i modulære og rekonfigurerbare roboter, multirobotsystemer og kontrollalgoritmer. Hun er en National Science Foundation Career Award-vinner og stipendiat i Association for the Advancement of Artificial Intelligence, IEEE, AAAS og Alfred P. Sloan Foundation, for bare å nevne noen av hennes utmerkelser. Mange av tingene hun har gjort ser ut som magi i begynnelsen fordi det er disse geniale ideene ingen har tenkt på, sier robotiker Hod Lipson ved Columbia University. Hun er forut for sin tid.
Og elevene hennes lærer å dele hennes fantasifulle, men strenge tilnærming til robotikk. Sammen med andre samarbeidspartnere presenterte hun og studentene 15 artikler på 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation i Singapore, som dekker alle områder av feltet, fra nye algoritmer til nye typer maskinvare. Det er et utrolig produktivt laboratorium, og de produserer virkelig forskjellige prosjekter, som alle er kreative og takler et eller annet problem på en så solid måte, sier informatiker Radhika Nagpal ved Harvard University. Den tekniske skjønnheten til matematikken i arbeidet hennes er én ting, men det er også mye teknisk skjønnhet i robotene hun bygger. Å oppnå begge deler er uvanlig. Å få til begge deler på så mange forskjellige felt som hun gjør er helt uvanlig.
Assorterte origami-inspirerte roboter fra flere prosjekter står langs hyllene i Rus laboratorium. Flere er selvfoldende.
Kropp og hjerne
Rus, 54, er født og oppvokst i det kommunistiske Romania, hvor interessen hennes for fantastisk teknologi ble vekket i en tidlig alder. Faren hennes var informatiker, og hun ble tiltrukket av gadgets Star Trek , teknologien til Jules Verne, og en uvanlig nederlandsk tegneserie, Barbapapa , som inneholdt en familie av formskiftende klatter, inkludert en oppfinner som bygde fantastiske maskiner. Etter at familien emigrerte til USA, studerte hun informatikk og matematikk ved University of Iowa og tok deretter doktorgraden under den berømte informatikeren John Hopcroft ved Cornell University. (John sa at mange av de klassiske algoritmene ble løst, og at nå var det tid for de store applikasjonene, husker hun. Og for ham betydde de store applikasjonene robotikk.) Likevel utviklet hun algoritmer for å hjelpe roboter med å gripe og manipulere objekter for sin doktorgradsforskning fant hun ut at egenskapene til robotsystemer på slutten av 1980-tallet og begynnelsen av 1990-tallet ikke samsvarte med science fiction-visjonene fra barndommen hennes. Jeg hadde disse vakre algoritmene som fungerte veldig bra i simulering, husker hun, men det var ingen robotfingre som kunne utøve den typen krefter og dreiemomenter som algoritmene mine trengte.
Etter Cornell ble Rus professor i informatikk ved Dartmouth College, hvor hun grunnla Dartmouth Robotics Lab. Hun hadde allerede jobbet på team med roboter som opptrådte sammen og utvidet fokuset til å inkludere modulære, selvrekonfigurerende roboter som kunne anta forskjellige former og former - omtrent som karakterene i tegneserien fra barndommen hennes. Likevel løp hun inn i den samme utfordringen. Disse systemene kunne bare demonstreres fullstendig i datasimuleringer. De faktiske maskinene for å utføre algoritmene hennes var ennå ikke bygget.
Hun skaper en atmosfære der folk er mer sannsynlig å være kreative og prøve noe som kanskje ikke på forhånd gir mening, men som ville vært veldig vilt og kult hvis det var mulig. – Radhika Nagpal
Rus innså at for at roboter virkelig skulle være i stand, måtte hjernen og kroppen deres være like avanserte. Du trenger en hjerne som kan kontrollere kroppen, men kroppen må være i stand til oppgaven du gir den, sier hun. Så du må tenke på kroppens evner, deretter vitenskapen og matematikken som gir kroppen kontrollsystemet den trenger.
I 2003 begynte Rus på fakultetet ved MIT, tok med seg laboratoriet hennes og omdøpte det til Distributed Robotics Lab for å samsvare med hennes visjon: en fremtid med gjennomgripende roboter. Hun ble meddirektør for CSAILs Center for Robotics i 2005 og CSAILs assisterende direktør tre år senere; i 2012 vurderte hun å ta et sabbatsår og starte en oppstart. Hennes lidenskap for forskning hadde ikke falmet - hun var rett og slett ute etter noe annerledes. Så fikk hun vite at direktørstillingen åpnet i CSAIL. Det er en så ekstraordinær organisasjon og den har spilt en så stor rolle i å forme fremtiden, sier hun. Å være i stand til å være med på å forme hvordan CSAIL beveger seg fremover, for å bidra til å gjøre det mer effektfullt - dette var litt som den amerikanske drømmen.
Sabbatstiden kunne vente.
En quad-rotor robot sitter på toppen av en hjulbasert robot modellert på Mars rovere; begge ble designet med rimelige materialer. Quad-rotor-boten har blitt brukt til å spore hvaler og demonstrere flygende kameraer for vedvarende overvåking.
Styring CSAIL
CSAIL var allerede godt etablert som verdens beste forskningssenter for informatikk da Rus – den første kvinnen som ledet laboratoriet – tok over i 2012. I dag teller CSAIL syv MacArthur-vinnere, åtte Turing Award-mottakere og en ridder (Tim Berners- Lee). MITs største forskningslaboratorium, det huser 115 hovedetterforskere (PIer), hundrevis av forskere og studenter, og mer enn 800 forskningsprosjekter. Det er mange ideer her, og hver og en av våre PI-er er en stor drømmer, sier Rus. Vi er en slags forening av drømmer, og min rolle er å sørge for at vi har miljøet for å dyrke disse store drømmene og ideene.
For å gjøre det jobber Rus for å opprettholde en kultur som støtter vekst hos alle ved CSAIL, fra administrativt ansatte til fakultetsarmaturer. Hun prøver å opprettholde en følelse av fellesskap gjennom de vanlige metodene, inkludert regelmessige møter, sosiale sammenkomster og symposier. Men hennes innsats på denne fronten spenner også fra det intenst personlige – en robotiker snakket om hvordan hun hjalp ham gjennom en skilsmisse – til det lunefulle. En gang ble et piano som Rus hadde kjøpt til datteren, feilaktig sendt til laboratoriet i stedet for hjemmet hennes, og folk begynte å sette seg ned i løpet av dagen for å spille. I løpet av disse to ukene lærte jeg at mange av elevene mine faktisk var veldig dyktige artister, minnes hun. En dag hørte jeg en av elevene spille Chopin, og det var så vakkert. Da pianoet ble fjernet, kjøpte hun et keyboard til laboratoriet, og improviserte konserter fortsatte.
De to andre pilarene i strategien hennes for å lede CSAIL – ressurser og ideer – er direkte relatert. Rus identifiserer problemene innen databehandling som kan ha størst innvirkning, og forfølger deretter partnerskap for å sikre finansieringen som er nødvendig for å takle dem. Et big-data-initiativ rullet ut akkurat da hun ble direktør i 2012, og hun har siden lansert ytterligere fire store industri- eller regjeringssponsede initiativer med fokus på cybersikkerhet, autonome kjøretøy, maskinlæring og helsevesen.
For eksempel smidd Rus et program for autonome kjøretøy på 25 millioner dollar med Toyota, og dannet Toyota-CSAIL Joint Research Center. I stedet for helt førerløse biler som de Google eller Uber prøver å bygge, ser hun for seg kjøretøy utstyrt med laseravstandsmålere og andre avanserte sensorer som kan brukes til å hjelpe folk til å kjøre trygt i overfylte byer eller dårlig vær. Bilen ville overta full kontroll bare hvis du nærmet deg en sving farlig raskt, for eksempel, eller bytte fil når en annen bil allerede var der.
Denne satsingen alene inkluderer 17 forskjellige prosjekter som engasjerer ulike CSAIL-laboratorier, inkludert hennes egen DRL og grupper som fokuserer på datasyn, maskinlæring og sensorutvikling. Jeg er veldig interessert i prosjekter som går på tvers av flere felt innen databehandling og som er større enn hva hver enkelt forsker kan gjøre, forklarer hun. Som direktør ser Rus også på seg selv som en talsperson for laboratoriet, en slags vitenskapelig historieforteller som bokstavelig talt reiser verden rundt og gleder forskere på konferanser og møter med historier om CSAILs siste bragder. Nagpal sier Rus' samtaler inspirerer hennes egen gruppe ved Harvard, og hun mistenker at hun har samme effekt på andre. Hun er personen som får deg til å føle at dette burde være gøy, sier Nagpal. Hun skaper en atmosfære der folk er mer sannsynlig å være kreative og prøve noe som kanskje ikke på forhånd gir mening, men som ville vært veldig vilt og kult hvis det var mulig.
Autonomivitenskap
Rus sier at arbeidet i DRL er ment å fremme vitenskapen om autonomi. Prosjekter følger generelt den samme brede metodikken. De fleste starter med å identifisere og forstå et problem og tenke opp robotene som kan løse det (enten de allerede eksisterer eller må bygges fra bunnen av). Deretter utvikler forskerne algoritmer for å kontrollere maskinene, kjøre dem i simulering og til slutt teste dem i den virkelige verden.
Resultatene utfordrer ofte standarddefinisjonen av roboter. I 2016 introduserte Rus, maskiningeniørstudent Steven Guitron, CSAIL postdoc Shuguang Li og kolleger fra andre institusjoner en origami-inspirert inntakbar robot. For å få det til å fungere, måtte de designe en robotkropp som kunne komprimeres til en kapsel på størrelse med en pille, for så å brette seg ut og utføre oppgaver når kapselen gikk i oppløsning. Miniatyrmaskinen er ikke testet in vivo ennå, men Rus sier at fremtidige versjoner kan være mikrokirurger, som utfører operasjoner uten snitt eller fysisk smerte.
Hun sier at vi må tenke på teknologien vi trenger for å skape 10 år fra nå, hvordan vi skal tenke på problemer som er viktige ikke bare for neste iterasjon, men de neste hundre iterasjonene av en teknologi, sier postdoc Cristian-Ioan Vasile.
Origami-robotene lenker til hennes tidligere arbeid med selvrekonfigurerende maskiner, men de reflekterer også en større innsats for å reimagine robotkroppen. Rus lanserte Soft Robotics Group i laboratoriet hennes på grunn av hennes overbevisning om at stive, stive maskiner har for mange begrensninger. Et av gruppens første medlemmer, Robert Katzschmann, laget en 3-D-printet fisk med fleksible aktuatorer, eller kunstige muskler. Senere, mens han jobbet med andre medlemmer for å forbedre en robots evne til å gripe skjøre gjenstander – i likhet med oppgaven Rus prøvde å takle i doktorgradsarbeidet hennes – ombygde Katzschmann aktuatorene han hadde utviklet for fisken for å hjelpe til med å konstruere en ny type hånd for humanoide roboter som Baxter. (Baxter er ideen til tidligere CSAIL-direktør Rodney Brooks og hans selskap, Rethink Robotics.) I motsetning til de stive robotformene fra fortiden, kan Katzschmanns myke, trefingrede hånd bøye og føle, slik at den kan fange opp et bredere spekter av objekter – og identifisere dem uten å bruke synsalgoritmer.
Robotblomster, som kan fås til å blomstre eller endre farge med et nettbrett, er designet for å interessere barn i robotikk.
Rus jobber også med å forbedre roboters evne til å resonnere og ta gode beslutninger. Vasile utvikler algoritmer som sørger for at autonome biler alltid fungerer trygt, unngår kollisjoner med andre kjøretøy og fotgjengere, og som også finner den rette balansen mellom å tilfredsstille kjørereglene og å nå målet effektivt. (For eksempel kan standardmodusen for å holde seg i høyre kjørefelt overstyres av behovet for å komme seg rundt en byggeplass.) En smartbil kan likevel bare ta avgjørelser basert på dataene den har tilgang til. Kjøretøyet vil for eksempel ikke kunne se rundt hjørner i et tett parkeringshus. Så en annen DRL-gruppe paret en robotbil med en autonom drone. Når bilen identifiserer blindsoner, flyr dronen foran, skanner disse områdene for potensielle farer, og sender deretter videoen tilbake til kjøretøyet for behandling.
Tilsvarende, for at Araki skulle bygge robotsvermen Rus ba om, måtte han revurdere både de fysiske robotene og kontrollsystemene deres. Han byttet ut bena på picobugen for mer pålitelige hjul som er lettere å kontrollere. Deretter måtte han finne ut hvordan robotene hans ville finne veien rundt i et simulert bymiljø. Han hadde aldri designet denne typen kontrollsystem - hans bakgrunn er innen maskinteknikk - men Rus forventer at studentene hennes skal være allsidige. Så han tilpasset en algoritme designet for å hjelpe svermer av roboter med å planlegge raske og kollisjonsfrie ruter. Siden robotene hans kunne fly, modifiserte Araki algoritmen slik at den også ville utvide seg til kjøretøyer som beveget seg over fortauet, og optimaliserte den deretter for effektivitet slik at dronene ikke raskt skulle gå tom for batteristrøm. Så langt har han bygget åtte av dem, og ved hjelp av Rus og andre laboratoriemedlemmer demonstrerte han at de flygende bilene kan glide rundt i en ni kvadratmeter stor modellby uten å kollidere.
Kommunikasjon er den andre nøkkelen til å realisere Rus robotfylte fremtid. Hvis svermer av dyktige maskiner skal operere i den virkelige verden, enten de flyr, kjører eller ruller rundt et hjem, må de kommunisere mer effektivt med hverandre og med mennesker. Med Rus hjelp utviklet DRL-dataforsker Stephanie Gil algoritmer som gjør det mulig for roboter å registrere variasjoner i trådløs signalstyrke, estimere hvor signalene kan være bedre, og skifte til disse stedene for å forbedre deres evne til å kommunisere. Dette kan være kritisk hvis du sender en flåte av roboter til stedet for en naturkatastrofe, forklarer Gil, siden det ville tillate flere maskiner å effektivt gjennomsøke rommet og raskt dele kritisk informasjon med hverandre og eventuelle menneskelige tjenestemenn.
I å lære mer om hvordan trådløse signaler forplanter seg, fant Gil også en måte å gjette den sannsynlige kilden til et gitt signal og om det stammer fra en kjent enhet, for eksempel en annen robot i rommet, eller en uidentifisert part. Vi kan identifisere om det er en spoofer eller ondsinnet agent som legger til informasjon i bildet som faktisk ikke er gyldig, sier hun. Hvis Rus visjon går i oppfyllelse, kan dette vise seg å bli utrolig viktig. En hacker som tar over datamaskinen din er truende nok. Forestill deg nå at personen tar tak i det digitale rattet på din selvkjørende bil.
Selv om de kan virke som ulike prosjekter for utenforstående, er koblingene mellom områder som robotfisk, sikkerhet, autonome biler og droner tydelige for Rus og studentene hennes. Du tror kanskje disse tingene er usammenhengende, men det er et større bilde, sier Katzschmann. Skal du lage roboter som kan gjøre ting som alle kan benytte seg av, må du ha innovasjoner på mange forskjellige felt. Daniela har visjonen som til slutt vil bringe alle disse tingene sammen.
Den visjonen er det som motiverer henne til å fullføre en TEDx-samtale sent en kveld og fortsatt møte laboratoriemedlemmene neste morgen, eller fly til Kina i 24 timer for å diskutere et potensielt forskningspartnerskap, og deretter fortsette arbeidet neste dag. Det er ikke rom for hvile når du bygger fremtiden. For tjue år siden var beregning forbeholdt de få ekspertene, og se nå på hvor vi er i dag, sier hun. Beregning har virkelig revolusjonert hvordan vi jobber, hvordan vi lever og hvordan vi spiller, og jeg vil gjerne se den samme typen innvirkning fra roboter.