Инженеры Северо-Западного университета разработали первых модульных роботов, обладающих спортивным интеллектом. Они могут объединяться и перегруппировываться в естественных условиях, восстанавливаться после травм и продолжать двигаться независимо от обстоятельств.

Эти создания, называемые « шагающими метамашинами », состоят из автономных модулей, похожих на детали конструктора Lego, которые соединяются в бесконечное количество конфигураций. Каждый модуль сам по себе представляет собой полноценного робота со своим собственным двигателем, батареей и компьютером. Сам по себе модуль может катиться, поворачиваться и прыгать. Но настоящая маневренность и неуязвимость проявляются, когда модули соединяются.

Результаты исследования были опубликованы в журнале « Proceedings of the National Academy of Sciences» .

Для разработки наиболее эффективных комбинаций инженеры использовали искусственный интеллект (ИИ) для создания новых конфигураций тел. Вместо того чтобы придерживаться стандартных конструкций, похожих на собачьи или человекоподобные, ИИ создал странные новые «виды» машин, которые ни один инженер-человек не смог бы придумать. При соединении с другими модулями метамашины извиваются, как тюлени, сцепляются, как ящерицы, или прыгают, как кенгуру.

Роботы также могут переворачиваться и стоять вертикально, перепрыгивая через препятствия и выполняя акробатические трюки, например, вращаясь в воздухе. Поскольку метамашина по сути является роботом, состоящим из других роботов, она может противостоять катастрофическим повреждениям. Сломанные детали не становятся мертвым грузом; они продолжают катиться, ползать и возвращаться в команду.

Сочетая физическую модульность с проектированием на основе искусственного интеллекта, исследователи открыли путь к новому классу роботов, которые не просто выживают в реальном мире — они адаптируются к нему. Эти машины указывают на будущее, где роботы будут меньше похожи на хрупкие, заранее спроектированные инструменты и больше на устойчивые, развивающиеся формы жизни.

«Это первые роботы, которые вышли на улицу после эволюции внутри компьютера», — сказал Сэм Кригман из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. «Их быстро собирают, а затем они в буквальном смысле сразу же приступают к работе. Они могут свободно передвигаться в дикой природе и легко восстанавливаться после серьезных травм, которые были бы смертельными для любого другого робота, живущего в дикой природе. Если их перевернуть вверх дном, они инстинктивно встают на ноги и продолжают свой путь. Они могут выжить, если их разрубить пополам или разрезать на множество частей. При разделении каждый модуль внутри метамашины может стать отдельным агентом».

Кригман, эксперт в области биороботики и искусственного интеллекта, является доцентом кафедры компьютерных наук, машиностроения, химической и биологической инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета, где он также является членом Центра робототехники и биосистем (CRB). Соавторами исследования являются Чен Ю, Дэвид Мэтьюз и Цзинсянь Ван, все они являются аспирантами CRB.

Эволюция, ускоренная компьютерами

Хотя современные роботы могут быть быстрыми и ловкими, форма их тел часто фиксирована и негибка. Большинство роботов не могут адаптироваться к новым задачам, окружающей среде или физическим повреждениям. Например, если роботизированная собака сломает лапу, она практически бесполезна. Чтобы преодолеть эти ограничения, команда Кригмана обратилась к искусственному интеллекту — не для копирования знакомых конструкций, а для разработки совершенно нового устройства.

Кригман и его команда начали с эволюционного алгоритма, имитирующего естественный отбор. В качестве отправной точки команда предоставила алгоритму строительные блоки для робота. Этими строительными блоками являются полуметровые модульные ноги, которые выглядят как пара палочек, соединенных центральной сферой.

«Внутри сферы у робота есть все необходимое для выживания: „нервная система“, „метаболизм“ и „мышцы“, — сказал Кригман. — Под этим я подразумеваю печатную плату, батарею и двигатель. Модули механически просты. Они могут вращаться только вокруг одной оси, но при этом удивительно подвижны и умны».

Затем Кригман и его команда поставили перед алгоритмом задачу: разработать робота с эффективным и универсальным движением. Путем комбинирования модулей в различных комбинациях алгоритм генерировал новые типы тел. Затем он моделировал каждый вариант, отбирая лучшие и отбрасывая слабые. Он также итеративно «выращивал» новые конструкции, комбинируя или мутируя их. В зависимости от типа тела робота, модульные ноги превращались в ноги, позвоночник или хвост.

«Мы смоделировали дарвиновский процесс мутации и отбора в виртуальной, физической среде, — сказал Кригман. — Это выживание сильнейших — ускоренное компьютерами и воплощенное в реальность с помощью модульных строительных блоков».

Преодоление пересеченной местности

Для проверки конструкций Кригман и его команда собрали лучшие трех-, четырех- и пятиногие модели, найденные в ходе эволюции. В ходе испытаний на открытом воздухе метамашины преодолевали пересеченную местность, включая гравий, траву, корни деревьев, листья, песок, грязь и неровные кирпичи. Они прыгали, вращались и выравнивались при переворачивании — и все это без сложной подготовки или переобучения.

В отличие от традиционных роботов, которые выходят из строя при поломке одной детали, эти машины способны адаптироваться, восстанавливаться и выживать. Даже если отваливается нога, метамашина остается устойчивой. Модули адаптируются к отсутствующей ноге и продолжают движение. Отсутствующая нога также может откатиться домой и присоединиться к своей команде.

«Она способна воспринимать окружающую среду, перемещаться с места на место, вычислять и обучаться», — сказал Кригман. «Метамашины можно быстро собирать, ремонтировать, перепроектировать и комбинировать. После сборки они мгновенно перемещаются в самых разных неструктурированных средах».

Новое исследование основывается на предыдущих работах лаборатории Кригмана, в которых его команда разработала первый алгоритм искусственного интеллекта для интеллектуального проектирования роботов с нуля. Сжав миллиарды лет эволюции в считанные секунды, алгоритм успешно спроектировал небольшого, гибкого шагающего робота за считанные секунды. Хотя эти роботы не могли делать ничего, кроме как ходить по столу, они доказали, что ИИ способен мгновенно создавать работающих роботов.

«Наши ранее эволюционировавшие роботы не могли чувствовать собственное тело или координировать свои движения, — сказал Кригман. — Но они все равно многому нас научили о том, как работает эволюция и как извлечь из этих уроков полезные технологии. Эволюция может выявлять новые конструкции, которые отличаются от того, что люди раньше могли себе представить, или даже превосходят это. Поэтому мы действительно хотели изучить, как и почему это работает. Лучший способ — или, по крайней мере, самый интересный — это эволюционировать структуры в реалистичных условиях».