Роботы Дети роботов: ученые применили <<естественный отбор>> в
робототехнике. Работает!
27.03.2019, Илья Хель4 4
Бактерии делают это. Вирусы делают это. Черви, млекопитающие, даже пчелы
-- все делают это. Каждое живое существо на Земле воспроизводится, будь
то бесполым (скучным) или половым (веселым) методом. Роботы этого не
делают. Машины из стали не очень заинтересованы в воспроизводстве. Но,
возможно, они смогут научиться. Ученые из области эволюционной
робототехники пытаются заставить машины адаптироваться к миру и, в
конечном итоге, воспроизводиться самостоятельно, подобно биологическим
организмам.
К примеру, когда-нибудь два робота, которые особенно хорошо
приспособлены к определенной среде, смогут объединить свои гены (ну
ладно, код), чтобы создать с помощью 3D-принтера маленького
робота-ребенка, у которого будет сила двух его предков. Если этот подход
сработает, это может привести к появлению роботов, которые конструируют
сами себя, создавая прекрасно адаптированные морфологии и модели
поведения, о которых люди-инженеры никогда не мечтали.
Дети роботов
Это кажется странным и немного тревожным, но эволюционные робототехники
уже занимаются такими фантастическими проектами. Инженеры из Австралии,
например, разработали в прошлом году роботизированные ноги, сперва
произвольно сгенерировав 20 форм. В ходе виртуального моделирования они
проверили, насколько хорошо каждая из них будет ходить по разным
поверхностям, то есть проверили <<пригодность>> в плане выживаемости
наиболее приспособленных. Затем они взяли лучших исполнителей и
<<спарили>> их, чтобы произвести похожие ноги -- то есть, детей.
Исследователи делали это снова и снова, поколение за поколением, и
создавали ноги, которые были удивительным образом приспособлены для
ходьбы по твердой земле, по гравию или по воде. Проекты сумасшедшие --
похожи на людей из дерева, танцующих танцы из Fortnite (хороши для
твердой почвы), и странным образом деформированные слоновьи ноги (хороши
для воды).
В чем основная идея? Традиционно, когда инженеры начинают проектировать
робота, они склонны использовать старые идеи. Почему у марсоходов шесть
колес? Потому что шестиколесные машины хорошо работали на Марсе и
раньше. Однако, возможно, дизайнеры что-то упустили. Прелесть эволюции в
том, что она постоянно наталкивается на безумные идеи. Никто, например,
не разработал грибок для проникновения в тела муравьев и контроля над
ними в дождливом лесу -- эта необычная стратегия появилась благодаря
поколению случайных мутаций и естественному отбору.
Как и в природе, именно мутации будут определять эволюцию видов роботов.
Важна вариативность. Когда два организма делают ребенка, их гены
объединяются, однако в них проникают и мутации, что может привести к
появлению у ребенка уникальных черт, вроде слегка измененного узора на
крыльях. Такого рода мутации делает потомство более или менее
приспособленным к конкретной среде. Если это неблагоприятная мутация,
животное размножается не так эффективно (или вообще не размножается), и
эти мутантные гены не передаются следующему поколению.
Посмотрите, чем занимается ученый в области компьютеров Гуш Айбен из
Амстердамского свободного университета. Он берет двух относительно
простых роботов, состоящих из соединенных модулей, и объединяет их,
комбинируя их <<геномы>>, которые несут информацию, скажем, об окраске. Он
также добавляет шум в эту комбинацию данных, который имитирует
биологическую мутацию, слегка изменяя потомство, так чтобы оно не было
просто смесью родителей. <<Один родитель полностью зеленый, другой
полностью синий>>, говорит Айбен. <<У ребенка какие-то модули будут
синими, какие-то зелеными, но голова белая. Это мутационный эффект>>.
И с этим изменением появляется новый вид творчества в роботизированном
дизайне. <<Это дает вам разнообразие и возможность исследовать области
дизайнерского пространства, в которые вы обычно не выходите>>, говорит
исследователь Дэвид Говард, который разработал эволюционирующую систему
ног и недавно опубликовал работу на тему эволюционной робототехники в
Nature Machine Intelligence. <<Одной из вещей, которая делает
естественную эволюцию мощной, является идея о том, что она действительно
может приспособить существо к окружающей среде>>.
Идея состоит в том, чтобы роботы адаптировались к нишам в определенной
среде аналогичным образом. Допустим, вам нужен робот, который может
самостоятельно исследовать джунгли. Это означает, что ему нужны
алгоритмы, которые управляют тем, как он движется сквозь растительность,
а также морфология, которая подходит для густого леса (поэтому никаких
роторов). Сперва вы должны смоделировать эту среду для навигации,
выбрать и отобрать тех из роботов, которые справляются с задачей лучше
всего, а затем проектировать слегка измененные физические машины на
основе этого.
<<В итоге мы получили множество небольших роботов, которые простые и
дешевые в изготовлении>>, говорит Говард. <<Мы отправим их и некоторые
будут лучше других>>. Если робот не вернется, значит он <<не подходит>> --
естественный отбор в действии. Те, кто справится, начнет новое
поколение, которое автоматически будет выпущено на 3D-принтере. Таким
образом, роботизированные виды эволюционируют. Говард считает, что такие
системы будут распространены через 20 лет.
К слову, о 3D-принтерах
Материалы, из которых эти роботы будут делаться, представляют собой
небольшую проблему. <<Если 3D-печать будет развиваться быстрее, эта идея
станет реальностью, но современные принтеры работают очень медленно>>,
говорит Хуан Кристобаль Загал, который изучает эволюционную
робототехнику в Университете Чили. И машины, и печатные материалы очень
дорогие. Но 3D-принтеры уже могут работать с самыми разными материалами,
в том числе металлическими, и от этого они станут быстрее и дешевле.
В целом, диапазон и область применения этих роботов будут в значительной
степени зависеть от того, как эти эволюционные системы будут проявлять
творчество в работе с материалами. Делая обычных роботов, инженеры
знают, какие материалы использовать, от металла в двигателях до
углеродного волокна в конечностях -- и эти знания сложились за многие
десятилетия исследований. Однако эволюционные роботы открывают новый
подход в применении материалов. Возможно, пластиковая нога будет лучше
при ходьбе в определенной среде, чем углеродное волокно. Если робот
выживет, значит, есть что-то в комбинации компонентов и материалов,
которые сделали его пригодным для работы, или, в эволюционном смысле, в
его нише.
<<Возможно, если появится новый класс материалов, мы можем просто
подключить его и он сможет выбирать>>, говорит Говард. <<У
человека-дизайнера освободится много времени>>.
