Роботы учатся ходить и работать. Хотя роботы-собаки еще не лучшие друзья человека, реальная автономия и разумность сделают их полезными компаньонами в промышленности, поисково-спасательных операциях и даже освоении космоса. Но вы должны идти, прежде чем сможете бегать, и машины извлекают уроки из биологии для более совершенных ходячих роботов.

Первые аккорды песни Motown 1960-х годов «Любишь ли ты меня?» по звуку Contours из динамиков, когда роботы начинают танцевать. Несколько моделей, в том числе двуногая гуманоидная версия и четвероногое собачье приспособление, танцуют друг с другом. Они шаркают, делают пируэты и раскачиваются.

Выпущенное американской робототехнической компанией Boston Dynamics вирусное видео роботов с танцующими ногами вызвало ажиотаж в конце 2020 года. Реакции варьировались от людей, предположивших, что это было сделано с использованием компьютерной графики, до опасений, что роботы собираются захватить мир. Тем не менее, несмотря на всю впечатляющую инженерию, видео также показало ограничения, с которыми сталкиваются роботы на ногах. В то время как для людей танцевать довольно легко, для роботов это невероятно сложно, а трехминутное видео означало, что каждое движение роботов приходилось детально прописывать вручную.

«Сегодня роботы все еще относительно глупы», — сказал Марко Хаттер, профессор ETH Zurich и эксперт в области робототехники. «Многие видеоролики Boston Dynamics представляют собой созданные вручную движения для конкретных условий. Они нуждаются в человеческом контроле. С точки зрения реальной автономии и рассуждений мы все еще далеки от людей, животных или того, что мы ожидаем от научной фантастики».

Тем не менее, такие роботы могут быть очень полезны для человечества. Они могли бы помочь нам во время стихийных бедствий, улучшить промышленные операции и логистику и даже помочь нам исследовать космос. Но для этого нам нужно научить роботов с ногами лучше справляться с базовыми задачами, такими как ходьба, и научить их делать это без присмотра.

Виртуальное обучение

ERC-проект LeMo — одно из исследований, начатых европейскими исследователями, чтобы сделать роботов более автономными. Их основная идея заключается в том, что передвижение на ногах — это не то, чем могло бы быть, и что методы машинного обучения могут его улучшить. LeMo уделяет особое внимание так называемому обучению с подкреплением.

«Обучение с подкреплением использует моделирование для создания массива данных для обучения политике управления нейронной сетью», — объяснил Хаттер, который также является руководителем проекта LeMo. «Чем лучше робот ходит в симуляции, тем большую награду он получает. Если робот упадет или поскользнется, его накажут».

Робот, которого они используют в проекте, представляет собой 50-килограммового собачьего четвероногого робота. Вдобавок к нему есть несколько датчиков и камер, которые позволяют ему обнаруживать окружающую среду. Эта часть стала довольно стандартной для роботов с ногами, но прогресс, который производит LeMo, заключается в программном обеспечении. Вместо использования подхода, основанного на моделях, когда исследователи программируют правила в системе, например, «когда на земле лежит камень, поднимите ноги выше», они «обучают» систему ИИ в симуляции.

Здесь система робота снова и снова проходит через виртуальную симуляцию местности, и каждый раз, когда она хорошо работает, она получает вознаграждение. Каждый раз, когда он терпит неудачу, он получает наказание. Повторяя этот процесс миллионы раз, робот учится идти путем проб и ошибок.

«LeMo — это один из первых случаев использования обучения с подкреплением на роботах с ногами», — сказал Хаттер. «Благодаря этому робот теперь может ходить по сложной местности, такой как скользкая земля и наклонные ступени. Мы практически никогда больше не падаем».

Используя эту технологию, команда ETH Zurich недавно выиграла конкурс Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) стоимостью 2 миллиона долларов, в котором командам было предложено развернуть флот роботов для самостоятельного исследования сложных подземных областей.

«Роботы на ногах уже используются для промышленных инспекций и других задач наблюдения», — сказал Хаттер. «Но есть также приложения, такие как поиск и спасение и даже исследование космоса, где нам нужно лучшее передвижение. Используя такие методы, как обучение с подкреплением, мы можем добиться этого».

Естественное вдохновение

Другой ERC-проект под названием M-Runners работает над созданием роботов на ногах, которые будут работать в открытом космосе. Сегодня, когда мы запускаем роботов в такие места, как Луна или Марс, это, как правило, колесные роботы. Им нужно приземляться и ездить по относительно ровным участкам местности.

«Но интересные вещи для геологов обычно находятся не на равнинах», — сказал профессор Алин Альбу-Шеффер из Мюнхенского технического университета и Немецкого аэрокосмического центра. «Они находятся в таких местах, как каньоны, куда марсоходы не могут легко добраться».

Вот почему существует большой интерес к отправке в космос роботов на ногах. Но прежде чем мы сможем это сделать, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы заставить их работать лучше. M-Runner черпает вдохновение в природе.

«Наша гипотеза состоит в том, что биология более энергоэффективна», — сказал Альбу-Шеффер. «Наши мышцы и сухожилия обладают некоторой эластичностью. Животные, например скачущие галопом лошади, используют эту эластичность для хранения и высвобождения энергии. С другой стороны, традиционные роботы жесткие и не делают этого».

Это означает, что роботы на ногах не так эффективны, как могли бы быть. Но по-настоящему понять эти процессы и передать их роботам довольно сложно. Это требует глубокого понимания биологии, а также математики, лежащей в основе того, как совершаются и повторяются движения.

Сложная система конечностей с большим количеством взаимозависимых частей, таких как мышцы, сухожилия и кости, очень тесно взаимодействующих друг с другом для повторяющихся движений, таких как ходьба или бег. «Моделирование этого математическим путем — научно нерешенный вопрос», — сказал Альбу-Шеффер.

Это то, что проект M-Runner пытается решить и перенести на роботов, квест, который является в значительной степени междисциплинарным. «Мы работаем над биомеханикой и биологическими системами, — сказал Альбу-Шеффер. «Но также неврология, математика и физика. В свою очередь, мы создаем инструменты, которые применяют это к реальным роботам».

На данный момент в рамках проекта уже создан прототип робота размером с собаку, на котором исследователи тестируют различные типы бега и походки. Конечная цель состоит в том, чтобы применить это теоретическое исследование в такой роли, как исследование космоса. «Мы также думаем о низкой гравитации в симуляциях», — говорит Альбу-Шеффер. «Здесь робот может совершать более впечатляющие прыжки и ходить дальше».

Помимо этого исследования, роботы на ногах уже сегодня интегрируются в нашу экономику и общество. «Эти машины уже используются», — сказал Хаттер. «Это еще не предмет домашнего обихода. Но в промышленных условиях он становится все более популярным, а в Китае изучаются даже варианты использования в домашних условиях».

Но их привлекательность для массового рынка зависит от того, что эти роботы лучше ходят и действуют в реальном мире. Вот почему необходимы дополнительные исследования. «Роботы с ногами — это не только компания Boston Dynamics, — сказал Альбу-Шеффер. «В Европе также проводятся передовые исследования, и мы наблюдаем реальный прогресс в технологиях».