Roboty: te, co skaczą i biegają

2007-07-25 11:10

Nasze maszyny poruszają się na dwóch nogach jak ludzie, albo na czterech jak gepardy, albo na sześciu jak owady. Nie mamy innych wzorów, musimy naśladować siebie i resztę żywych organizmów - mówi prof. Teresa Zielińska, kierownik Zakładu Teorii Maszyn i Robotów na Politechnice Warszawskiej

Tomasz Ulanowski: Robot, który chodzi całkiem jak człowiek - tak zachwala swoje "dziecko" prof. Florentin Woergoetter z Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech. Nazwał go Runbot, bo to najszybsza dwunożna maszyna na świecie. Czym różni się od innych robotów człekokształtnych, np. słynnego Asimo produkowanego przez Hondę?


Prof. Teresa Zielińska: Woergoetter skorzystał z koncepcji ruchu wymyślonej przez rosyjskiego fizjologa Mikołaja Bernsteina, jednego z ojców biocybernetyki. W latach 30. zeszłego wieku Bernstein zauważył, że człowiek steruje swym ruchem na dwóch poziomach. Kiedy idziemy spokojnie po gładkiej powierzchni, nogi niosą nas automatycznie, odruchowo. Nie zastanawiamy się, gdzie postawić stopę, możemy nawet czytać gazetę. W czasie drugiej wojny światowej znużeni żołnierze nawet podsypiali podczas marszu. Jakim cudem? Ano takim, że za prawidłowy krok odpowiada tzw. system kontroli niższego rzędu - dane z mięśni czy stawów, które pełnią funkcję czujników, biegną do rdzenia kręgowego, gdzie znajduje się centrum sterowania. Nie do mózgu! Ten, jako system kontroli nadrzędnej, reaguje dopiero wtedy, gdy dzieje się coś niezwykłego. Na przykład nogi natrafiają na przeszkodę i błędnik daje znać, że tracimy równowagę. Albo wcześniej tę przeszkodę dostrzegą nasze oczy.

Dodatkowo Runbot uczy się na błędach. Na filmie zrobionym przez Woergoettera widać, jak trzy razy natrafia na przeszkodę i fika kozła. Za czwartym razem już sobie z nią radzi i żwawo maszeruje dalej. Jak się nie przewrócisz, to się nie nauczysz?

- Runbot uczy się jak człowiek. Na przykład niemowlę - wykonuje nieskoordynowane, pozornie bezładne ruchy rączkami i nóżkami. I choć wydają się zupełnie losowe, to dzięki nim system sterujący dziecięcym organizmem uczy się związków pomiędzy sygnałem biegnącym do mięśni a następującym po nim ruchem. To wymachiwanie nóżkami i rączkami ma więc głęboki sens. Dzięki temu dziecko w pewnym momencie chwyta grzechotkę, wyciąga rączkę do mamy, później siada, staje na nogi, zaczyna chodzić. Ruch staje się coraz bardziej celowy i skoordynowany. Następnym etapem rozwoju jest optymalizacja - ruchy stają się coraz bardziej precyzyjne, organizm coraz lepiej wykorzystuje ukształtowanie terenu. Takie doskonalenie się może trwać - choćby u sportowców - przez całe życie.

Ale roboty, które potrafią się uczyć, to akurat nic nowego. Pozwalają im na to tzw. sztuczne sieci neuronowe. Stosujemy je także w naszych maszynach kroczących.

Sztuczne sieci neuronowe?

- One oczywiście nie odwzorowują dokładnie mózgu. Nikt zresztą do końca nie wie, jaka jest jego struktura czy jaki jest podział funkcji neuronów w rdzeniu kręgowym. Wiemy, że układ nerwowy człowieka składa się z miliardów neuronów. One przekazują i przetwarzają informacje. Podobnie czynią sztuczne sieci, gdzie funkcje matematyczne spełniają funkcję neuronów.

Jak wygląda "ćwiczenie z chodzenia" w wykonaniu sztucznej sieci neuronowej?

Losowo sprawdza ona, do czego prowadzi ruch. Widziałam np., jak maszyna krocząca wyposażona w wiele odnóży próbowała je wszystkie naraz podnieść. To kończyło się oczywiście upadkiem. Ale sieć dostała sygnał, że to nie był dobry pomysł. Po tej nieudanej próbie sieć testowała pojedyncze nogi i w końcu doszła do tego, jak poruszyć robotem w sensowny sposób.

A ten nie ucierpiał podczas nauki?

- Zanim wprowadza się program do maszyny, szkoli się go symulacyjnie, w komputerze. Dzięki temu przyspieszamy proces uczenia się. Dr Paweł Wawrzyński z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej napisał program symulujący ruch geparda. Program zaczynał od zera, by w końcu nauczyć się poruszać jak kot. Biegał, i to bardzo szybko.

Z tego, co pani mówi, wynika, że specjaliści od robotyki próbują naśladować naturę - np. sposób poruszania się człowieka, sposób uczenia się. Czemu nie wymyślicie czegoś zupełnie nowego?

- Niestety, nie mamy innych wzorów - tylko siebie i resztę żywych organizmów. Nasze maszyny poruszają się jak ludzie na dwóch nogach albo jak gepardy na czterech czy owady na sześciu. Z jakiegoś powodu ewolucja nie dopuściła do powstania zwierząt o trzech nogach, zawsze mają je do pary. Parzysta liczba odnóży świetnie się sprawdza.

Choć biologia wcale nie musi być najlepszym wzorcem. Ewolucja się myli, czasem wkracza na ślepe ścieżki. Moi koledzy, którzy zajmują się badaniem ludzkiego kręgosłupa, twierdzą, że jest on największą pomyłką ewolucji. Wydaje się, że postawa czteronożna była dla niego wygodniejsza. Gdybyśmy nie stanęli na dwóch nogach, nie musielibyśmy się teraz zmagać z tymi wszystkimi zwyrodnieniami czy bólami w krzyżu.

Niestety, ciągle mało wiemy o człowieku. Lepiej znamy tzw. organizmy proste i dlatego często je wykorzystujemy jako wzorzec w budowie robotów. Wiemy np., jak przebiega informacja w systemie nerwowym odpowiedzialnym za ruch odnóży u owadów. Dopóki noga daje sygnał do "sterownika", czyli sieci neuronowej, że to na niej opiera się ciało, dopóty jest wyprostowana. Kiedy nacisk przenosi się na inną, ta pierwsza zgina się. Ale tylko do pewnego momentu - określają go maleńkie włoski, którymi pokryte są owadzie odnóża. To czujniki. Kiedy włosek wyrastający z jednej części kończyny dotknie drugiej części, mówi sieci: "cała stop!".


Dokąd może się w Polsce zgłosić uczeń liceum czy technikum, który chce się nauczyć, jak konstruować roboty?

- Choćby na Politechnikę Warszawską. Potrzebujemy coraz więcej inżynierów i fachowców od techniki, a niestety w całej Europie cierpimy na ich niedosyt. Tylko w Niemczech brakuje 20 tys. specjalistów od maszyn i robotów. Najsilniejsze ośrodki robotyki to dziś Japonia i USA. Założyciel Microsoftu Bill Gates twierdzi, że jeśli uznać ubiegłe stulecie za wiek komputerów, to wiek XXI będzie erą robotów. Rynek już jest olbrzymi - od automatycznych odkurzaczy po sondy badające wnętrze człowieka. W Europie młodzież nie garnie się jednak do przedmiotów ścisłych.


W Polsce może to wynikać z kiepskiego poziomu ich nauczania w szkołach.

- Bo niestety od każdego ucznia wymagamy tego samego. Gdybyśmy formatowali nauczanie indywidualnie - w zależności od tego, do czego uczeń zdradza talent - to wszyscy uczyliby się z przyjemnością i mieli lepsze wyniki.

Cierpimy też na brak pieniędzy. Myślą nie odstajemy od najlepszych, ale co z tego, jeśli wielu konstrukcji nie możemy wybudować, bo nie mamy za co? Mój kolega z Singapuru ma cały magazyn różnych podzespołów, które wyszukuje w katalogach i kupuje, bo może się do czegoś przydadzą. A my często nie wiemy, że one w ogóle istnieją.

Moi studenci zawsze jednak muszą coś skonstruować. I wie pan, to zadziwiające, ale często jest tak, że ci, którzy wydają się bardziej zdolni, boją się maszyn jak ognia. Lepszymi fachowcami zostają ci z pozoru mniej bystrzy, którzy się jednak nie boją, wszystkiego chcą dotknąć i sprawdzić na własną rękę.

Źródło: http://www.gazetawyborcza.pl