211service.com
De robots van morgen bouwen
MIT-computerwetenschapper Daniela Rus droomt onze toekomst vol robots. 24 oktober 2017
Josh Mathews
Toen Brandon Araki in 2015 aan het MIT arriveerde als masterkandidaat in werktuigbouwkunde, bracht hij de picobug mee, een kleine robot die kan vliegen, kruipen en kleine voorwerpen kan grijpen. Voordat Araki bij het Distributed Robotics Lab (DRL) van Daniela Rus kwam werken, werkte hij met medewerkers van verschillende universiteiten aan de kleine autonome machine, die 30 gram weegt en in de palm van zijn hand past. Hij wist niet precies wat hij nu met de picobug zou gaan doen, maar toen zijn nieuwe baas hem in actie zag, was ze geslagen. Ik wil er honderd! zei Rus.
Dit verzoek was niet alleen hebzuchtige opwinding. Rus, tevens directeur van het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), stelt zich een toekomst voor vol autonome machines die kunnen vliegen, rijden, eenvoudige operaties kunnen uitvoeren en meer. Mijn grote droom is om een wereld te hebben met alomtegenwoordige machines, alomtegenwoordige robotica geïntegreerd in de structuur van het dagelijks leven, en iedereen te helpen met fysiek werk en cognitieve taken, zegt ze.
Een project gericht op het ontwerpen van bedrukbare, eenvoudig te bouwen robots produceerde deze functionele bots gemaakt van bedrukt plastic.
In het geval van Araki's project stelt ze zich een vloot van grotere autonome drones voor die door een stad vliegen en pakketten afleveren. Maar dat is slechts een van de tientallen systemen die Rus en haar onderzoekers ontwikkelen die van invloed kunnen zijn op veel gebieden van het dagelijks leven. Onlangs hebben ze robots ter grootte van een pil gedemonstreerd die zich in het lichaam kunnen verplaatsen om inwendige wonden te herstellen. Ze hebben drones geprogrammeerd om te koppelen met zelfrijdende auto's door vooruit te vliegen en dode hoeken te scannen. Ze hebben nieuwe communicatietechnieken en beveiligingsmodellen ontwikkeld voor systemen met meerdere robots. Haar lab heeft een nieuwe robothand geproduceerd, een 3D-geprinte vis die zwemt als een echte vis, een draagbaar navigatiesysteem voor blinden, schokabsorberende robothuiden en meer.
Rus, winnaar van een MacArthur-genie in 2002, heeft voor haar wereldwijde erkenning gekregen pionierswerk in modulaire en herconfigureerbare robots, multi-robotsystemen en besturingsalgoritmen. Ze is een National Science Foundation Career Award-winnaar en een fellow van de Association for the Advancement of Artificial Intelligence, de IEEE, de AAAS en de Alfred P. Sloan Foundation, om maar een paar van haar onderscheidingen te noemen. Veel van de dingen die ze heeft gedaan, zien er in het begin uit als magie, omdat het ingenieuze ideeën zijn waar nog niemand aan heeft gedacht, zegt roboticus Hod Lipson van Columbia University. Ze is haar tijd ver vooruit.
En haar studenten leren haar fantasierijke maar rigoureuze benadering van robotica te delen. Samen met andere medewerkers presenteerden zij en haar studenten 15 papers op de IEEE International Conference on Robotics and Automation 2017 in Singapore, die alle gebieden van het veld bestreken, van nieuwe algoritmen tot nieuwe soorten hardware. Het is een ongelooflijk productief laboratorium en ze produceren echt diverse projecten, die allemaal creatief zijn en een probleem op zo'n solide manier aanpakken, zegt computerwetenschapper Radhika Nagpal van de Harvard University. De technische schoonheid van de wiskunde in haar werk is één ding, maar er zit ook veel technische schoonheid in de robots die ze bouwt. Het is ongebruikelijk om beide te bereiken. Om beide te bereiken op zoveel verschillende gebieden als zij doet, is volkomen ongebruikelijk.
Diverse op origami geïnspireerde robots uit meerdere projecten staan in de schappen in het laboratorium van Rus. Verschillende zijn zelfvouwend.
Lichaam en brein
Rus, 54, is geboren en getogen in het communistische Roemenië, waar haar interesse in fantastische technologie al op jonge leeftijd werd aangewakkerd. Haar vader was een computerwetenschapper en ze voelde zich aangetrokken tot de gadgets van Star Trek , de technologie van Jules Verne, en een ongewone Nederlandse tekenfilm, Barbapapa , met een familie van vormveranderende blobs, waaronder een uitvinder die geweldige machines bouwde. Nadat haar familie naar de VS was geëmigreerd, studeerde ze informatica en wiskunde aan de Universiteit van Iowa en promoveerde vervolgens bij de beroemde computerwetenschappelijke theoreticus John Hopcroft aan de Cornell University. (John zei dat veel van de klassieke algoritmen waren opgelost en dat het nu tijd was voor de grote toepassingen, herinnert ze zich. En voor hem betekenden de grote toepassingen robotica.) Maar terwijl ze algoritmen ontwikkelde om robots te helpen objecten te grijpen en te manipuleren voor haar promotieonderzoek ontdekte ze dat de mogelijkheden van robotsystemen eind jaren tachtig en begin jaren negentig niet overeenkwamen met de sciencefictionvisies van haar jeugd. Ik had van die prachtige algoritmen die heel goed werkten in simulatie, herinnert ze zich, maar er waren geen robotvingers die de krachten en koppels konden uitoefenen die mijn algoritmen nodig hadden.
Na Cornell werd Rus hoogleraar computerwetenschappen aan Dartmouth College, waar ze het Dartmouth Robotics Lab oprichtte. Ze had al gewerkt aan teams van robots die samen optraden en breidde haar focus uit met modulaire, zichzelf herconfigurerende robots die verschillende vormen en vormen konden aannemen, net zoals de personages in de tekenfilm uit haar kindertijd. Toch liep ze tegen dezelfde uitdaging aan. Deze systemen konden alleen volledig worden gedemonstreerd in computersimulaties. De eigenlijke machines om haar algoritmen uit te voeren waren nog niet gebouwd.
Ze creëert een sfeer waarin mensen eerder creatief zijn en iets proberen dat misschien niet a priori logisch is, maar echt wild en cool zou zijn als het mogelijk was. —Radhika Nagpal
Rus realiseerde zich dat om robots echt capabel te maken, hun hersenen en lichamen even geavanceerd moesten zijn. Je hebt hersenen nodig die het lichaam kunnen besturen, maar het lichaam moet in staat zijn de taak aan te kunnen die je het geeft, zegt ze. Dus je moet nadenken over de mogelijkheden van het lichaam en vervolgens over de wetenschap en wiskunde die het lichaam het controlesysteem geven dat het nodig heeft.
In 2003 trad Rus toe tot de faculteit van MIT, nam haar lab mee en hernoemde het het Distributed Robotics Lab om af te stemmen op haar visie: een toekomst van doordringende robots. Ze werd co-directeur van CSAIL's Center for Robotics in 2005 en CSAIL's associate director drie jaar later; tegen 2012 overwoog ze een sabbatical te nemen en een startup te starten. Haar passie voor onderzoek was niet vervaagd - ze was gewoon op zoek naar iets anders. Toen hoorde ze dat de directeursfunctie bij CSAIL vrijkwam. Het is zo'n buitengewone organisatie en het heeft zo'n grote rol gespeeld bij het vormgeven van de toekomst, zegt ze. Om te kunnen helpen vorm te geven aan hoe CSAIL vooruit gaat, om het meer impact te maken - dit was een beetje zoals de Amerikaanse droom.
De sabbatical kon wachten.
Een quad-rotorrobot zit bovenop een op een wiel gebaseerde bot die is gemodelleerd naar de Mars-rovers; beide zijn ontworpen met goedkope materialen. De quad-rotor-bot is gebruikt om walvissen te volgen en om vliegende camera's te demonstreren voor aanhoudende bewaking.
Besturing CSAIL
CSAIL was al goed ingeburgerd als 's werelds beste onderzoekscentrum voor computerwetenschap toen Rus - de eerste vrouw die het lab leidde - het in 2012 overnam. Vandaag telt CSAIL zeven MacArthur-winnaars, acht Turing Award-ontvangers en een ridder (Tim Berners- Lee). Het is het grootste onderzoekslaboratorium van MIT en herbergt 115 hoofdonderzoekers (PI's), honderden wetenschappers en studenten en meer dan 800 onderzoeksprojecten. Er zijn hier veel ideeën en elk van onze PI's is een grote dromer, zegt Rus. We zijn een soort unie van dromen, en het is mijn rol om ervoor te zorgen dat we de omgeving hebben om deze grote dromen en ideeën te cultiveren.
Om dit te doen, werkt Rus aan het handhaven van een cultuur die de groei van iedereen bij CSAIL ondersteunt, van administratief personeel tot faculteitsleiders. Ze probeert een gemeenschapsgevoel te behouden door middel van de gebruikelijke methoden, waaronder regelmatige vergaderingen, sociale bijeenkomsten en symposia. Maar haar inspanningen op dit gebied variëren ook van het intens persoonlijke - een roboticus vertelde hoe ze hem door een scheiding hielp - tot het grillige. Op een keer werd een piano die Rus voor haar dochter had gekocht per ongeluk naar het lab verscheept in plaats van naar haar huis, en mensen begonnen overdag te spelen. Tijdens die twee weken leerde ik dat veel van mijn studenten eigenlijk heel getalenteerde kunstenaars waren, herinnert ze zich. Op een dag hoorde ik een van de studenten Chopin spelen, en het was zo mooi. Toen de piano werd verwijderd, kocht ze voor het lab een keyboard, en de geïmproviseerde concerten gingen door.
De andere twee pijlers van haar strategie voor het leiden van CSAIL - middelen en ideeën - zijn direct gerelateerd. Rus identificeert de problemen op het gebied van informatica die de grootste impact kunnen hebben, en streeft vervolgens naar partnerschappen om de financiering veilig te stellen die nodig is om ze aan te pakken. Een big data-initiatief werd uitgerold net toen ze directeur werd in 2012, en sindsdien heeft ze nog vier andere grote door de industrie of de overheid gesponsorde initiatieven gelanceerd die gericht zijn op cyberbeveiliging, autonome voertuigen, machine learning en gezondheidszorg.
Rus smeedde bijvoorbeeld samen met Toyota een programma voor autonoom rijden van $ 25 miljoen en vormde het Toyota-CSAIL Joint Research Center. In plaats van auto's zonder bestuurder zoals die Google of Uber proberen te bouwen, stelt ze zich voertuigen voor die zijn uitgerust met laserafstandsmeters en andere geavanceerde sensoren die kunnen worden gebruikt om mensen te helpen veilig te rijden in drukke steden of bij slecht weer. De auto zou alleen volledige controle overnemen als u bijvoorbeeld gevaarlijk snel een bocht nadert of van rijstrook verandert terwijl er al een andere auto was.
Deze onderneming alleen al omvat 17 verschillende projecten waarbij verschillende CSAIL-labs betrokken zijn, waaronder haar eigen DRL en groepen die zich richten op computervisie, machine learning en sensorontwikkeling. Ik ben erg geïnteresseerd in projecten die meerdere gebieden van informatica overstijgen en groter zijn dan wat elke individuele onderzoeker kan doen, legt ze uit. Als directeur ziet Rus zichzelf ook als woordvoerder van het laboratorium, een soort wetenschappelijke verhalenverteller die letterlijk de wereld rondreist om onderzoekers op conferenties en bijeenkomsten te trakteren op de nieuwste wapenfeiten van CSAIL. Nagpal zegt dat de gesprekken van Rus haar eigen groep op Harvard inspireren, en ze vermoedt dat ze hetzelfde effect heeft op anderen. Zij is de persoon die je het gevoel geeft dat dit leuk moet zijn, zegt Nagpal. Ze creëert een sfeer waarin mensen eerder creatief zijn en iets proberen dat misschien niet a priori logisch is, maar echt wild en cool zou zijn als het mogelijk was.
Autonomie wetenschap
Rus zegt dat het werk in de MVO bedoeld is om de wetenschap van autonomie te bevorderen. Projecten volgen over het algemeen dezelfde brede methodologie. De meeste beginnen met het identificeren en begrijpen van een probleem en het bedenken van de robots die het kunnen oplossen (of ze nu al bestaan of helemaal opnieuw moeten worden gebouwd). Vervolgens ontwikkelen de onderzoekers algoritmen om de machines te besturen, ze in simulatie te laten draaien en ze uiteindelijk in de echte wereld te testen.
De resultaten dagen vaak de standaarddefinitie van robots uit. In 2016 introduceerden Rus, student werktuigbouwkunde Steven Guitron, CSAIL-postdoc Shuguang Li en collega's van andere instellingen een op origami geïnspireerde opneembare robot. Om het te laten werken, moesten ze een robotlichaam ontwerpen dat kon worden samengeperst tot een capsule ter grootte van een pil, zich vervolgens kon ontvouwen en taken kon uitvoeren wanneer de capsule oploste. De miniatuurmachine is nog niet in vivo getest, maar Rus zegt dat toekomstige versies microchirurgen zouden kunnen zijn die operaties uitvoeren zonder incisies of fysieke pijn.
Ze zegt dat we moeten nadenken over de technologie die we over tien jaar moeten creëren, hoe we moeten nadenken over problemen die niet alleen belangrijk zijn voor de volgende iteratie, maar voor de volgende honderd iteraties van een technologie, zegt postdoc Cristian-Ioan Vasile.
De origami-robots linken naar haar eerdere werk aan zelf-herconfigurerende machines, maar ze weerspiegelen ook een grotere inspanning om het robotlichaam opnieuw te bedenken. Rus lanceerde de Soft Robotics Group binnen haar lab vanwege haar overtuiging dat starre, stijve machines te veel beperkingen hebben. Een van de eerste leden van de groep, Robert Katzschmann, maakte een 3D-geprinte vis met flexibele actuatoren of kunstmatige spieren. Later, terwijl hij met andere leden werkte om het vermogen van een robot om fragiele objecten te grijpen te verbeteren - vergelijkbaar met de taak die Rus probeerde aan te pakken in haar doctoraatswerk - remodelleerde Katzschmann de actuatoren die hij voor de vis had ontwikkeld om een nieuw soort hand voor humanoïde robots zoals Baxter. (Baxter is het geesteskind van voormalig CSAIL-directeur Rodney Brooks en zijn bedrijf, Rethink Robotics.) In tegenstelling tot de starre robotvormen uit het verleden, kan de zachte, drievingerige hand van Katzschmann buigen en voelen, waardoor hij een breder scala aan objecten kan oppikken - en identificeer ze zonder vision-algoritmen te gebruiken.
Robotbloemen, die kunnen worden gemaakt om te bloeien of van kleur te veranderen met een tablet, zijn ontworpen om kinderen te interesseren voor robotica.
Rus werkt ook aan het verbeteren van het vermogen van robots om te redeneren en goede beslissingen te nemen. Vasile ontwikkelt algoritmen die ervoor zorgen dat autonome auto's altijd veilig werken, botsingen met andere voertuigen en voetgangers vermijden, en ook de juiste balans vinden tussen voldoen aan de verkeersregels en efficiënt hun bestemming bereiken. (De standaardmodus om op de rechterrijstrook te blijven, kan bijvoorbeeld worden opgeheven door de noodzaak om een bouwplaats te omzeilen.) Toch kan een slimme auto alleen beslissingen nemen op basis van de gegevens waartoe hij toegang heeft. In een krappe parkeergarage kan de auto bijvoorbeeld niet om de hoek kijken. Dus een andere MVO-groep koppelde een robotauto aan een autonome drone. Terwijl de auto dode hoeken identificeert, vliegt de drone vooruit, scant deze gebieden op mogelijke gevaren en stuurt de video vervolgens terug naar het voertuig voor verwerking.
Evenzo moest Araki, om de robotzwerm te bouwen waar Rus om vroeg, zowel de fysieke robots als hun besturingssystemen heroverwegen. Hij verwisselde de poten van de picobug voor betrouwbaardere, gemakkelijker te besturen wielen. Vervolgens moest hij uitzoeken hoe zijn robots hun weg zouden vinden in een gesimuleerde stedelijke omgeving. Hij had nog nooit zo'n besturingssysteem ontworpen - zijn achtergrond is werktuigbouwkunde - maar Rus verwacht van haar studenten dat ze veelzijdig zijn. Dus paste hij een algoritme aan dat is ontworpen om zwermen robots te helpen bij het plannen van snelle en botsingsvrije routes. Omdat zijn robots konden vliegen, paste Araki het algoritme aan zodat het ook zou gelden voor voertuigen die boven de stoep bewegen, en optimaliseerde het vervolgens voor efficiëntie, zodat de drones niet snel zonder batterij zouden komen te zitten. Tot nu toe heeft hij er acht gebouwd en met de hulp van Rus en andere laboratoriumleden demonstreerde hij dat de vliegende auto's rond een negen vierkante meter grote modelstad kunnen zoeven zonder te botsen.
Communicatie is de andere sleutel tot het realiseren van de met robots gevulde toekomst van Rus. Als zwermen capabele machines in de echte wereld gaan werken, of ze nu vliegen, rijden of door een huis rollen, zullen ze effectiever met elkaar en met mensen moeten communiceren. Met de hulp van Rus ontwikkelde DRL-computerwetenschapper Stephanie Gil algoritmen waarmee robots variaties in draadloze signaalsterkte kunnen detecteren, inschatten waar de signalen mogelijk beter zijn en naar die plekken gaan om hun communicatievermogen te verbeteren. Dit kan van cruciaal belang zijn als je een vloot robots naar de plaats van een natuurramp zou sturen, legt Gil uit, omdat het meerdere machines in staat zou stellen om de ruimte efficiënt te doorzoeken en snel kritieke informatie met elkaar en eventuele menselijke functionarissen te delen.
Door meer te leren over hoe draadloze signalen zich voortplanten, vond Gil ook een manier om de waarschijnlijke bron van een bepaald signaal te raden en of het afkomstig was van een bekende entiteit, zoals een andere robot in de kamer, of een niet-geïdentificeerde partij. We kunnen identificeren of er een spoofer of kwaadwillende agent is die informatie aan de afbeelding toevoegt die niet echt geldig is, zegt ze. Als de visie van Rus uitkomt, kan dit ongelooflijk belangrijk zijn. Een hacker die uw computer overneemt, is al bedreigend genoeg. Stel je nu eens voor dat die persoon het digitale stuur van je zelfrijdende auto grijpt.
Hoewel het voor de buitenstaander misschien ongelijksoortige projecten lijken, zijn de verbanden tussen gebieden als robotvissen, beveiliging, autonome auto's en drones duidelijk voor Rus en haar studenten. Je zou denken dat deze dingen onsamenhangend zijn, maar er is een groter geheel, zegt Katzschmann. Als je robots wilt maken die dingen kunnen waar iedereen gebruik van kan maken, heb je innovaties nodig op veel verschillende gebieden. Daniela heeft de visie die al deze dingen uiteindelijk zal samenbrengen.
Die visie motiveert haar om op een avond laat een TEDx-lezing af te ronden en de volgende ochtend nog steeds haar lableden te ontmoeten, of voor 24 uur naar China te vliegen om een mogelijk onderzoekspartnerschap te bespreken, en dan haar werk de volgende dag te hervatten. Er is geen ruimte voor rust als je aan de toekomst bouwt. Twintig jaar geleden was rekenen voorbehouden aan de weinige experts, en kijk nu eens waar we nu staan, zegt ze. Computing heeft echt een revolutie teweeggebracht in hoe we werken, hoe we leven en hoe we spelen, en ik zou graag dezelfde soort impact van robots zien.