Stworzyli mechaniczną żmiję. Samodzielnie uczy się, jak cię uratować

Ten robot nie tylko pełza jak wąż. Potrafi też się toczyć, a algorytmy uczą go, kiedy która metoda jest lepsza.

Roboty przypominające węże od dawna kuszą inżynierów, bo są smukłe, elastyczne i potrafią przeciskać się tam, gdzie klasyczny robot na kołach albo człowiek nie ma szans. Właśnie dlatego mogą być szczególnie cenne w akcjach ratunkowych po trzęsieniach ziemi, w gruzowiskach, na nierównym terenie, a choćby na powierzchniach wodnych. Problem polega jednak na tym, iż samo klasyczne wężowe poruszanie się jest energochłonne. Wymaga synchronizacji wielu silników jednocześnie, a to gwałtownie zjada baterię.

W robotyce terenowej sama zdolność ruchu nie wystarcza. Liczy się jeszcze to, jak długo maszyna może działać bez ładowania i ile energii zostaje jej na sensory, łączność czy wykonywanie rzeczywistej pracy. jeżeli robot zbyt gwałtownie rozładowuje się podczas samego przemieszczania, jego przydatność w terenie gwałtownie spada. Właśnie ten problem próbował rozwiązać zespół Akio Y++amano.

Robot nauczył się także toczyć

Nowa praca opisuje dwa główne style ruchu. Pierwszy to klasyczne falowanie ciała, czyli ruch przypominający prawdziwego węża. Jednak to ten drugi jest tak naprawdę najciekawszy. Robot formuje głowę i ogon w strukturę przypominającą pierścień i zaczyna się toczyć, wykorzystując przesuwanie środka ciężkości. Pozwala mu to w pewnych warunkach używać grawitacji i geometrii własnego ciała zamiast nieustannie walczyć z oporem dzięki samych silników.

Fot. eurekalert

Tu właśnie wchodzi sztuczna inteligencja. Zespół wykorzystał głębokie uczenie przez wzmacnianie, czyli metodę, w której system uczy się przez próby i błędy, nagradzając strategie prowadzące do lepszego efektu. Robot nie wykonuje tylko sztywno wpisanego programu ruchu, ale dostaje narzędzie do optymalizowania własnego zachowania. Zaczyna więc w pewnym sensie rozumieć, iż w jednych warunkach bardziej opłaca się ślizgać, a w innych toczyć.

Kluczem jest pamięć tego, co dzieje się z ciałem robota

Samo dodanie drugiego trybu ruchu mogłoby nie wystarczyć, gdyby robot nie potrafił go stabilnie kontrolować. Właśnie dlatego zastosowano rozwiązanie, które zbiera i chwilowo przechowuje dane z czujników dotyczące prędkości kątowej, przyspieszenia i stanu ciała robota. Dzięki temu algorytm nie reaguje wyłącznie na pojedynczy chwilowy odczyt, ale potrafi patrzeć na ruch bardziej ciągle, jak na sekwencję zdarzeń.

To ma szczególnie duże znaczenie przy toczeniu. Taki ruch może być bardzo wydajny, ale łatwo traci stabilność, zwłaszcza gdy maszyna ma zachować prosty kierunek. Działa to trochę jak pamięć krótkoterminowa ruchu: pozwala robotowi lepiej zrozumieć, co właśnie działo się z jego korpusem i szybciej korygować błędy. Dzięki temu toczenie nie jest chaotycznym przewrotem, tylko kontrolowaną metodą lokomocji.

Mniej energii, więcej drogi

Na płaskim terenie robot, zamiast klasycznie pełzać, może po prostu zwinąć się w koło i toczyć – a robi to dwa razy szybciej przy takim samym zużyciu energii. Nowa metoda poruszania się jest więc bardzo konkretnym rozwiązaniem, za pomocą którego robot może zajechać znacznie dalej i pracować dłużej w trudnych warunkach.

Naukowcy udowodnili przy tym, iż nie istnieje jeden, uniwersalny sposób poruszania się, który sprawdzi się wszędzie. Gdy teren staje się wyboisty i trudny, robot najlepiej radzi sobie falując jak klasyczny wąż. Jednak gdy tylko wjeżdża na płaską powierzchnię, znacznie bardziej opłaca mu się zwinąć i toczyć. Właśnie dlatego prawdziwym przełomem jest model mieszany. Robot nie może być uwiązany do jednego stylu ruchu. Musi potrafić błyskawicznie ocenić sytuację i przełączyć się na ten tryb, który w danej chwili pozwoli mu oszczędzić najwięcej sił i czasu.

Taki robot może być istotny w ratownictwie i eksploracji

Bardzo często zachwycamy się robotami, bo potrafią robić salta albo biegać. W tym przypadku widowiskowość schodzi tak naprawdę na dalszy plan. Liczy się wyłącznie to, jak długo maszyna wytrzyma w terenie, zanim padnie jej bateria.

Ma to ogromne znaczenie w ratownictwie, zwłaszcza w takich miejscach jak Japonia, gdzie trzęsienia ziemi są dużym zagrożeniem. Każda minuta zaoszczędzonej energii to dla ratowników dodatkowy czas na przeszukanie gruzowisk i dotarcie tam, gdzie dla człowieka jest zbyt ciasno lub niebezpiecznie. W takich sytuacjach odpowiednia wydajność robota to szansa na uratowanie czyjegoś życia.

Ten sam argument działa przy eksploracji kosmicznej. jeżeli maszyna ma kiedyś penetrować tunele lawowe, szczeliny, trudny grunt albo nierówne stoki na innych ciałach niebieskich, nie wystarczy, iż będzie ciekawie wyglądać i przejedzie kilka metrów. Musi rozsądnie gospodarować energią, umieć dobrać ruch do podłoża i nie marnować baterii na walkę z fizyką.