Het kostte de natuur miljoenen jaren om intelligente, adaptieve soorten te creëren. Onderzoekers van de Northwestern University in Illinois gebruiken AI om robots binnen enkele minuten te ontwikkelen. Het resultaat is een robot die wendbaar, zeer adaptief en technisch onverwoestbaar is.
Robots worden doorgaans gebouwd met specifieke omgevingen in gedachten. Een magazijnrobot glijdt efficiënt over gladde betonvloeren, terwijl robothonden probleemloos trappen op en af kunnen gaan. Deze robots hebben echter vaak geen enkel aanpassingsvermogen buiten vooraf gedefinieerde omstandigheden. Zelfs buitenrobots, die doorgaans in staat zijn om op oneffen terrein te navigeren, kunnen het moeilijk hebben als ze uitdagingen tegenkomen waarvoor ze niet speciaal zijn geprogrammeerd.
Dezelfde robot die op indrukwekkende wijze over een open veld sprint, zou net zo goed een broodrooster kunnen zijn als hij vast komt te zitten in de modder of, erger nog, een ledemaat verliest.
De Northwestern-onderzoekers onderzoeken een andere aanpak. In plaats van robots te ontwerpen voor specifieke omgevingen of elk mogelijk scenario te proberen voorspellen, experimenteren ze met machines die zichzelf kunnen herconfigureren en hun beweging kunnen aanpassen afhankelijk van de situatie.
Sam Kriegman/Noordwestelijke Universiteit
Hun resultaat is de ‘legged metamachine’, een robuuste modulaire robot die er vreemd uitziet en nog vreemder beweegt. Toch zeggen de onderzoekers dat het letterlijk in tweeën kan worden gesneden en nog steeds kan functioneren.
De robot bestaat uit meerdere Lego-achtige modules die in verschillende configuraties kunnen worden gemonteerd. Elke module is een functionele robot met een batterij, motor en computer. Het ontwerp is relatief eenvoudig: een centrale bal en twee aangrenzende armen (of benen) die langs een enkele as kunnen draaien.
Sam Kriegman/Noordwestelijke Universiteit
Alleen kan een module onafhankelijk rollen, draaien en springen. Geassembleerd begint het echter interessant te worden. Door te communiceren via de interne computers kan de vergadering springen, kruipen, rollen, golven en een heleboel andere bewegingen uitvoeren die, eerlijk gezegd, chaotisch en moeilijk te beschrijven zijn, maar toch behoorlijk effectief. Kortom, de robot doet wat hij moet doen om van punt A naar punt B te komen.
Dit is ook de bron van zijn ‘onverwoestbaarheid’. Als een module losraakt van de assemblage of schade oploopt, zal de rest van de machine een manier vinden om in beweging te blijven en zijn primaire missie te vervullen.
Misschien wel het meest interessante deel van het project is wie of wat de robot heeft ontworpen: kunstmatige intelligentie.
Als scheppers van robots hebben mensen de leiding over hun evolutie. Tot nu toe omvat ons denkproces bij deze taak meestal het aanpassen van robots aan locomotoren in de natuur of andere bestaande voortbewegingstechnologieën. Als gevolg hiervan hebben we meerpotige, rups-, wiel-, vlieg-, zwem- en kruiprobots uitgevonden. Maar wat als deze bewegingen niet altijd het meest ideaal zijn voor robotachtige entiteiten? De onderzoekers wendden zich tot AI om de vraag te beantwoorden.
In plaats van de robot rechtstreeks te ontwerpen, voorzag het team AI van een reeks bouwstenen, de modules en een eenvoudig doel: de meest effectieve manier van bewegen vinden. Van daaruit voerde de AI een proces uit dat sterk leek op de natuurlijke evolutie.
“Evolutie kan nieuwe ontwerpen onthullen die anders zijn dan of zelfs verder gaan dan wat mensen zich voorheen konden voorstellen. We wilden dus echt bestuderen hoe en waarom het werkt. De beste manier, of in ieder geval de leukste manier, is om structuren in realistische omstandigheden te ontwikkelen”, legt Sam Kriegman, de leider van het onderzoek en een biorobotica-expert, uit.
Sam Kriegman/Noordwestelijke Universiteit
In een computersimulatie genereerde de AI duizenden mogelijke robotconfiguraties. Elk ontwerp werd getest in talloze extreme virtuele omgevingen. De meest succesvolle ontwerpen, die verder gingen of beter met obstakels omgingen, werden behouden en de zwakkere werden weggegooid.
Generatie na generatie evolueerden de ontwerpen totdat de AI uiteindelijk zeer effectieve configuraties produceerde, waarvan vele mensen nooit zouden hebben overwogen. De ontwikkelaars hebben vervolgens de definitieve ontwerpen fysiek samengesteld.
Bij buitentests bewoog de resulterende robot zich effectief over verschillende ruige terreinen, waaronder gras, grind en modder. Bij de meeste robots maakt het verlies van één onderdeel de rest van de machine onbruikbaar. Aan de andere kant kon de robot van de onderzoekers zich aanpassen en blijven bewegen, zelfs nadat hij een heel been had verloren.
“Zij (de robots) kunnen overleven als ze in tweeën worden gehakt of in veel stukken worden gesneden. Wanneer ze worden gescheiden, kan elke module binnen de metamachine een individuele agent worden”, zegt Kriegman.
De onderzoekers beweren ook dat dit de eerste geëvolueerde robot is die een stap buiten een simulatie naar de echte wereld zet.
Geëvolueerde robots zijn geboren om te rennen en weigeren te sterven
En nog even een korte zijbalk… Geëvolueerde robots, of evolutionaire robotica, is een veld dat op AI gebaseerde evolutionaire algoritmen gebruikt om machines te ontwerpen door natuurlijke selectie te simuleren. In plaats van rechtstreeks een robot te ontwerpen, ontwerpen ingenieurs de regels van de evolutie. Deze aanpak verandert robotontwerp in wezen in een vorm van digitale evolutie.
Voor fans van de film ‘Big Hero Six’ komt de benenmetamachine misschien vreemd bekend voor. De film bevat een robotconcept waarin zwermen kleine robotmodules samenkomen om grotere structuren te vormen die zichzelf naar believen kunnen hervormen. Elke module bestaat uit een bal en twee armen, met autonome bediening en functies. De gelijkenis tussen dat fictieve idee en dit onderzoek uit de echte wereld is opvallend.
Toegegeven, de echte machine is duidelijk veel minder gepolijst, maar als we de film mogen geloven, is het potentieel van de technologie enorm.
Voorlopig bevindt de technologie zich echter nog in de beginfase. Momenteel heeft de machine geen naar buiten gerichte sensoren. Hij kan geen obstakels zien of zijn omgeving in kaart brengen. Het weet niet eens echt waar het heen gaat. Het grootste deel van zijn intelligentie is naar binnen gericht. De robot kan zijn eigen oriëntatie (of hij ondersteboven of vastzit) en de posities van de modules detecteren. Aan de andere kant is het traag, beweegt het onhandig en mist het de detectiemogelijkheden die nodig zijn voor taken in de echte wereld.
Zelfs de onderzoekers zelf erkennen dat de robot nog niet bijzonder nuttig is. Maar bruikbaarheid is niet het primaire doel, althans nog niet. Een van de doelstellingen van het project is om de manier waarop ingenieurs over robots denken te veranderen. Dankzij AI-aangedreven evolutionaire robotica hebben de onderzoekers de meest fundamentele eigenschap van elke evoluerende soort bereikt: overleven.
Een artikel over het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.
Bron: Northwestern Universiteit
