Robot-skolopendra

Robotyka ostatniego półwiecza tak się skupiła na „głowie” robota, na jego mózgu, że zapomniała o nogach. I to dosłownie. Dziś dopiero, gdy te sztuczne mózgi naprawdę nieźle sobie radzą, pojawia się coraz więcej prac opisujących systemy poruszania się robotów. Niezbędne, żeby mogły one być robotami, czyli dosłownie wykonywać za nas robotę. Bo robota jest to tu, to tam, a jeśli robota, niczym kolubrynę 300 lat temu, należałoby zaciągać na pozycje, to do niczego taki postęp. Okazuje, się, ze wcale nie trzeba giga-mózgu, wystarczą nogi, jak u wija.

Gąsienice są ciężkie i zawodne. Koła, kółka, kółeczka – neolityczny wynalazek, sprawdza się, dopóki nie jest zbyt pod górkę i generalnie bardzo nierówno. Stąd Indianie Amerykańscy koła nie wymyślili, bo to potrzeba jest matką wynalazków. Wszystko jest z nimi dobrze, dopóki jedno nie odpadnie. Wtedy masa nie ma znaczenia, czy jest to odkurzacz, fotel czy gigantyczny traktor – dalej nie pojedzie.

Nogi… Tu jest problem koordynacji, jeśli robot ma być androidem. My uczymy się chodzić co najmniej rok. Sztuczna Inteligencja zarządzająca robotem też potrzebuje na to czasu. Ciężko jest też za pomocą dwóch nóg utrzymać równowagę, jak się ma spore cielsko, a roboty czasem muszą być duże. Cytując początkowe rozdziały „Folwarku zwierzęcego” Orwella zatem: „Cztery nogi dobrze, dwie nogi źle”. Ale tu z kolei… czym robić? Mówiąc żartem: skąd wziąć w takim pomyśle ręce do pracy? Oczywiście się je przyprawia, mimo, że wygląda to dziwacznie. Problemy koordynacyjne i utrzymania równowago pozostają (a nawet rosną), ale odporność na nierówności terenu wzrasta. Jednak to nadal nie to.

Podstawowym wyzwaniem jest bowiem to, by roboty robiły to, czego człowiek nie może lub nie chce, gdyż to np. zbyt niebezpieczne. A zatem robot do konkretnego zadania musi umieć dostać się i poruszać tam, gdzie człowiek nie zdołałby.

Uczeni nadal – i słusznie! – szukają na to pomysłów w naturze. Natura bowiem na drodze ewolucji dopracowała się licznych rozwiązań w kwestii poruszania się i miała na to miliardy lat. Osiadły tryb życia jest wszak wśród zwierząt znacznie rzadszy, niż ruchliwy. Pisałam już zatem o robocie dżdżownicy. Ostatnio zaś pojawiły się doniesienia o kolejnym ekstrawaganckim zdawałoby się, a jednak bardzo głęboko przemyślanym i potrzebnym pomyśle robota-skolopendry. Roboty te mogą poruszać się po skomplikowanym, wyboistym terenie, stąd można myśleć o ich wykorzystaniu w rolnictwie, ratownictwie, a zwłaszcza w eksploracji Ziemi i innych ciał niebieskich.

Nie lękajmy się – nie ma być z założenia jadowity, a jedynie mieć właściwy parecznikom (bo do tej gromady wijów należy m.in. skolopendra) sposób poruszania się i budowę kończyny. To stawonogi, mają więc ciało segmentowane i są dziś raczej drobnych rozmiarów, za to w karbonie żył gigantyczny ich przodek, wij Artropleura, osiągający 2,5 m długości, o ciele złożonym z 30 segmentów. Przyjrzyjmy się zatem tym odnóżom: drugi segment zagłowowy i kolejne segmenty tułowia mają po 1 parze odnóży krocznych, złożonych z biodra, krętarza, przedudzia, uda, goleni i stopy. Liczba par nóg u dorosłych osobników waha się od 15 do 191. Ostatnia para odnóży często jest przekształcona i pełni funkcje zmysłowe lub obronne.

Czemu to wszystko służy? Aby nie było przeszkód terenowych nie do pokonania dla tego segmentowanego, sporego wszak ciała. I w górę, i w dół poruszanie się jest bezpieczne, a równowaga ustabilizowana w licznych punktach. Ciężko się wywrócić nawet w bardzo pofałdowanym krajobrazie.

Przyglądał się „chybotliwemu” chodowi organizmów zwanych przez nas zwyczajowo, acz niesłusznie, stonogami dość długo doktorant w Georgia Institute of Technology, Baxi Chong. Tak skutecznie, że od marca do maja tego roku udało mu się m.in. aż w dwóch czasopismach naukowych z najwyższej półki, to jest „PNAS” i „Science”, umieścić wraz z kolegami i szefem – prof. Danielem Goldmanem – swoje naukowe opracowanie zagadnienia. A właściwie dwóch: jak realnie chodzą pareczniki oraz jak chodzi zbudowany na tej podstawie prototyp robota.

Najprościej przełom, którego dokonali uczeni z Atlanty, podsumował redaktor z „Science” Marc S. Levine: „Poruszanie się po nierównym terenie, niezależnie od tego, czy jest to człowiek, czy robot, generalnie wymaga obszernych informacji zwrotnych, aby umożliwić dostosowanie kroku w celu skompensowania rozpadlin, pochyłości lub zmian w strukturze powierzchni. Ta zdolność zwykle wymaga sieci czujników do wykrywania zmian w terenie. Autorzy tej pracy pokazują, że alternatywne podejście […] może zagwarantować pomyślne wykorzystanie teorii informacji. Autorzy rysują paralelę między posiadaniem wielu połączonych nóg robota a protokołami transmisji sygnału, które minimalizują błędy w transmisji – w tym przypadku przesyłanym „sygnałem” jest ciało robota.”

Wyjść z pudełka i się rozejrzeć, oto sztuka! Czasem rozejrzeć się pod nogami, to sztuka tym bardziej. No i fizykę trzeba rozumnie znać, by zobaczyć, jak bardzo nasz dwunożny ruch zdominowany jest przez bezwładność (my to nazywamy „fałszywym postawieniem stopy”, gdy lądujemy na nosie). Gdy „stonoga” przestaje poruszać segmentami ciała i kończynami, to natychmiast przestaje się poruszać – zauważa na łamach portalu phys.org prof. Goldman.

Uczeni z GeorgiaTech pod jego kierunkiem opracowali zatem teorię poruszania się na wielu nogach, która przewidywała, że poruszające się w ten sposób masy (np. roboty) nie będą wymagały żadnych dodatkowych czujników czy technologii sterowania, by iść po nierównym gruncie czy wyboistym terenie.

Matematyka, która legła u podłoża tego ciekawego i pomysłowego projektu, została opracowana przez zmarłego 20 lat temu profesora słynnego instytutu technologicznego MIT i laureata Nagrody Kioto („japońskiego Nobla”) Claude'a Shannona. To teoria komunikacji, gdzie „od przybytku głowa nie boli”, bo da się niezawodnie przesyłać sygnały na odległość na hałaśliwej linii. Trzeba nie wysyłać jej jako ciągłego sygnału analogowego, ale podzielić na dyskretne jednostki cyfrowe i powtórzać je stosownie zakodowane. Pytanie zatem nie brzmiało, jak poruszać 16 nogami robota (tyle ich ma ostatecznie prototyp), aby on się nie przewrócił, tylko: co się dzieje, gdy robot ma 4, 6, 8 i więcej nóg.

Fizycy teoretycy zadali je w swoim języku: „czy redundancja może być pomocna w transporcie materii?”. Tu, jak opisuje phys.org, to specjaliści z tamtejszej School of Mathematics, dr Daniel Irvine i prof. Greg Blekherman sformułowali teorię sugerującą, że dodanie par nóg do robota zwiększa jego zdolność do stabilnego poruszania się po trudnych powierzchniach. Tę koncepcję nazywają redundancja (nadmiarowością) przestrzenną. Kolejne prototypy potwierdzały swym funkcjonowaniem przewidywania ich teorii. A to na ogół dobrze dla teorii naukowej, gdy jej przewidywania się sprawdzają.

Jak zauważają autorzy pracy: „Musimy lepiej zrozumieć kompromis między energią, szybkością, mocą i wytrzymałością w tak złożonym systemie”. Wiadomo, że minimalnie 16 nóg jest potrzebne, teraz trzeba poszukać, ile ich powinno być optymalnie. Zwłaszcza, że prof. Goldman został w oparciu o swoją „skolopendrę” współzałożycielem firmy planującej budowę robotów odchwaszczających. Polską nazwę dla tego cudu już mam – „pieli-stonoga”. Jeśli cena będzie niezaporowa, to ja chętnie nabędę do swojego warzywnika i kwietnika.

Jeśli jedna noga się chwieje, obfitość nóg i tak utrzymuje ciało w ruchu. Im więcej nóg, tym pewniej stąpamy – no ale my potrzebowaliśmy uwolnić ręce – bez tego rozwój mózgu i człowieczeństwa nie miał szans. Stad mózg i wszystkie zmysły szaleją, by zapewnić rodzajowi Homo jaką taką równowagę, co – jak zauważył już mitologiczny Sfinks w swej zagadce – sprawia, że człowiek to zwierzę, które chodzi na dwóch nogach tylko w wieku pełnej sprawności. Gdy zaś jest maluchem – raczkuje na czterech, a gdy starcem – podpiera się laską.

#roboty #sztuczna inteligencja #nauka #zdrowie