Эволюция на ходу: ИИ-роботы из «лего» учатся выживать на любой местности и продолжать движение даже после поломки
Исследователи создали роботов, управляемых искусственным интеллектом, которые способны самостоятельно передвигаться по любой местности и продолжать движение даже при серьёзных повреждениях. Названные «многоногими метамашинами» (legged metamachines), эти необычные с виду устройства могут не только пролить свет на эволюцию человека и животных, но и указать путь к созданию будущих роботов, не ограниченных в подвижности, утверждают их создатели.
Роботы были разработаны в рамках проекта Северо-Западного университета (Northwestern University), целью которого было создание роботов с «атлетическим интеллектом» — способностью мгновенно адаптироваться к изменяющимся условиям поверхности. Эти устройства представляют собой модульную комбинацию строительных блоков, которые в описании проекта названы «похожими на Lego». Каждый такой блок представляет собой пару метровых (около трёх футов) ног, соединённых центральным сочленённым шаром. Учёные опубликовали описание своих разработок 6 марта в журнале PNAS.
«Внутри шара у робота есть всё необходимое для выживания: „нервная система“, „метаболизм“ и „мускулы“, — пояснил в заявлении ведущий автор исследования Сэм Кригман, доцент кафедры компьютерных наук, химического, машиностроительного и биологического инжиниринга. — Под этим я подразумеваю печатную плату, аккумулятор и мотор. Модули механически просты. Они могут вращаться только вокруг одной оси, но они удивительно подвижны и умны».
Модульная природа роботов позволяет присоединять к одному устройству несколько частей или «конечностей», изменяя его форму и характер движения, при этом не снижая способности продвигаться вперёд по пересечённой местности. В отличие от большинства других мобильных роботов, имеющих жёстко заданную структуру и придерживающихся привычных двух- и четырёхногих конструкций, эти метамашины допускают гораздо большее количество конфигураций.
По словам исследователей, такой подход может позволить создавать и изучать различные подвижные формы, а также пересмотреть наши представления об эволюции локомоции. В ходе экспериментов метамашины уже продемонстрировали способы передвижения, схожие с прыжками кенгуру или перекатами тюленя. Хотя комбинации конечностей могут выглядеть нелепо, роботы демонстрируют впечатляющую способность самостоятельно выправлять положение при столкновении с препятствиями, даже если их полностью переворачивают. Они могут перепрыгивать препятствия и даже выполнять акробатические трюки в воздухе.
Симуляция эволюции
Эти впечатляющие возможности стали возможны благодаря мощному искусственному интеллекту команды, который имитирует эволюционный алгоритм, управляющий естественным отбором. На первом этапе симуляция существовала исключительно в программной среде. ИИ получил задачу создавать новые конфигурации тела из модульных элементов с целью сформировать наиболее эффективные комбинации для передвижения по разным типам поверхности.
После того как ИИ испытал конструкции в виртуальной среде, отбрасывая неподходящие варианты, команда собрала три лучшие трёх-, четырёх- и пятиногие конструкции, созданные моделью. Получившиеся машины смогли преодолевать гравий, траву, корни деревьев, листья, песок, грязь и неровную кирпичную кладку без остановки и без вмешательства человека.
Самым впечатляющим аспектом этих метамашин оказалась их способность адаптироваться при повреждениях. Команда провела симуляции, в которых различные конфигурации теряли отдельные конечности или получали серьёзные поломки, однако модули приспосабливались и продолжали движение.
По словам Кригмана, сжимая миллиарды лет эволюции в несколько секунд, можно быстро выйти за рамки традиционных конструкций в робототехнике. «Эволюция может открывать новые конструкции, которые отличаются от того, что люди могли себе представить, или даже превосходят наше воображение, — отметил исследователь. — Поэтому нам очень хотелось изучить, как и почему это работает. Лучший способ — или, по крайней мере, самый увлекательный — это эволюционировать структуры в реалистичных условиях».
Разработка метамашин знаменует собой важный сдвиг в философии робототехники. Традиционно инженеры стремятся создать максимально предсказуемую и управляемую конструкцию, где каждое движение просчитано заранее. Подход Северо-Западного университета предлагает противоположную стратегию: вместо того чтобы проектировать робота под конкретную задачу, исследователи создают «эволюционное пространство», в котором форма и поведение рождаются из самого процесса отбора. Это не просто автоматизация проектирования — это принципиально иной способ «выращивания» машин, при котором оптимальные решения находит алгоритм, а не человек.
Практическая ценность таких роботов выходит далеко за пределы лаборатории. Способность адаптироваться к повреждениям в реальном времени делает их идеальными кандидатами для миссий в экстремальных условиях: поисково-спасательные операции в зонах обрушений, разведка на других планетах, работа в радиоактивных или химически загрязнённых средах, где ремонт невозможен, а отказ хотя бы одной конечности не должен означать гибель всей системы. В отличие от традиционных роботов, которые при потере одной ноги становятся бесполезными, метамашины перестраивают свою походку «на лету», перераспределяя нагрузку на оставшиеся модули.
Особый интерес представляет возможность масштабирования этой технологии. Модульная архитектура потенциально позволяет создавать не только автономных роботов, но и «роевые» системы, где отдельные модули могут объединяться в более крупные структуры, подобно тому, как клетки образуют ткани. В перспективе такие системы могли бы самостоятельно собираться, разбираться и перестраиваться в зависимости от задачи, что открывает путь к созданию универсальных платформ, способных выполнять практически любой тип работ — от разведки до строительства.
Однако у этой технологии есть и свои вызовы. Эволюционный алгоритм, который находит оптимальные формы для передвижения по песку, может дать совершенно иные результаты для передвижения по скалам или воде. Вопрос о том, как создать систему, способную одинаково хорошо адаптироваться к любому типу поверхности, остаётся открытым. Кроме того, энергоэффективность таких «эволюционировавших» конструкций пока уступает традиционным роботам, оптимизированным под конкретную среду.
Тем не менее, сам подход знаменует переход от робототехники как инженерной дисциплины к робототехнике как биологическому процессу. Вместо того чтобы заставлять роботов подражать животным, исследователи создают условия, в которых наиболее жизнеспособные формы возникают сами. Возможно, именно такие неуклюжие на вид, но удивительно живучные машины станут первыми по-настоящему автономными исследователями других миров — или нашими партнёрами в условиях, где традиционная техника оказывается бессильна. И в этом смысле метамашины из лаборатории в Эванстоне — это не просто очередная разработка, а прообраз будущего, в котором машины смогут не только выполнять команды, но и самостоятельно находить способ выжить.
