211service.com
Robo Zwerm
In maart van dit jaar trokken computerwetenschapper Radhika Nagpal van Harvard University en haar collega's 16 kilometer per dag door een tropisch eiland in het midden van het Panamakanaal, op zoek naar legermieren. De insecten werken samen in groepen van tien- of zelfs honderdduizenden om hun koningin en larven te beschermen, waarbij ze hun eigen lichaam gebruiken om een tijdelijk nest te creëren en in stand te houden. Maar er is geen leider onder hen, geen voorman of chef. De wezens creëren deze complexe structuren als een collectief.
Op de ochtend van de tweede dag was Nagpal al uren aan het zoeken toen Mike Rubenstein, een roboticus aan de Northwestern University, per ongeluk op een rotte boomstam stapte. Zijn rubberen laars ging dwars door het hout. Onmiddellijk rende Nagpal erheen om te zien hoe de zwerm insecten hun beschadigde nest repareerde. Ze straalde, herinnert bioloog Simon Garnier van het New Jersey Institute of Technology, de hoofdwetenschapper van de expeditie, zich. Soms zou ik willen dat mijn eigen studenten meer zo waren.
Nagpal was in Panama om van de mieren te leren - of op zijn minst inspiratie op te doen. Als leider in het opkomende gebied van zwermrobotica, of collectieve kunstmatige intelligentie, bestrijkt ze meerdere gebieden, waaronder werktuigbouwkunde, industrieel ontwerp en zelfs gedragsbiologie. Voordat ze robots ontwierp die samenwerken om eenvoudige structuren te bouwen, reisden zij en haar collega's naar Namibië om termieten van dichtbij te bestuderen, en de reis naar Panama lanceerde een nieuw project geïnspireerd door legermieren. (Het aantal actuatoren dat een mier heeft, maakt dat een roboticus wil huilen, zegt ze.) Maar haar lab is vooral bekend vanwege het bouwen van een groep van 1024 eenvoudige, identieke, goedkope machines die ze kilobots noemt. De gehurkte, cilindrische robots voeren in groep basistaken uit. Er is geen leider onder hen. Er is ook geen menselijke tussenkomst. Ze zijn een echte kunstmatige zwerm.
Een van de 1.024 kilobots van Nagpal
De mogelijke toepassingen voor robotcollectieven lopen sterk uiteen, van robo-bijen voor zoek- en reddingswerk tot autonome bouwvoertuigen die habitats op de maan of Mars kunnen bouwen voorafgaand aan bemande missies. Maar deze futuristische visies zijn niet wat Nagpal drijft. Op een bepaald niveau kan dit leiden tot toepassingen, maar het gaat ook om wetenschappelijke ontdekkingen, zegt ze. Het gaat erom in staat te zijn nieuwe kennis te ontdekken, en niet per se te weten hoe dat de mensheid 20 jaar later zal beïnvloeden.
Het onderzoek van Nagpal staat op de omslag van Wetenschap en Natuur , en in 2014 werd ze genoemd als een van Natuur ’s 10, een jaarlijkse lijst van mensen die ertoe doen in de wetenschap. Ze is zeker een briljante wetenschapper, voegt Garnier toe. Maar ook verloor ze nooit de nieuwsgierigheid van kinderen.
Haar eigen pad vinden
Nagpal, 45, groeide op in India, dat ze beschrijft als een land waar intelligentie bij meisjes niet werd gewaardeerd en zelfs problematisch was. Als een slim meisje dat opgroeide, werd heel duidelijk gemaakt dat ze liever hadden dat de jongens slim waren, herinnert ze zich. Meisjes moesten leren koken, niet coderen. En als een meisje academisch uitblonk, was geneeskunde een van de weinige aanvaardbare paden.
Dus besloot Nagpal dat alles wat ook maar in de verste verte met geneeskunde te maken had, zoals biologie, verboden terrein was. Mijn hele strategie was ontsnappen, zegt ze. Als er een voorbestemd pad voor vrouwen was, zou ik dat pad niet inslaan, alleen uit angst om opgesloten te zitten in dat systeem en nooit in staat te zijn om zelf een andere beslissing te nemen.
Ondanks de culturele normen stonden Nagpals ouders - haar vader is een werktuigbouwkundig ingenieur die promoveerde aan Georgia Tech - haar toe naar het MIT. Als eerstejaars maakte ze gebruik van het pass/fail-beoordelingssysteem om zich in te schrijven voor de inleidende computerklasse 6.001. Ik dacht dat het moeilijk zou worden, zegt ze, maar toen vond ik het geweldig.
Radhika Nagpal zegt dat zij en haar groep de meer dan 1.000 robots in haar lab niet langer noemen.
Als afgestudeerde student in 1996 las Nagpal Amorphous Computing, een nieuw gepubliceerd witboek waarin haar adviseurs, Harold Abelson, PhD '73, en Gerald Jay Sussman '68, PhD '73 en anderen een ongebruikelijke richting voor informatica beschreven. Ze richtten zich niet op individuele, krachtige computers, maar op programmeerbare massa's gemaakt van eenvoudige machines die, wanneer ze samenwerkten, complexe resultaten konden opleveren. Hoewel de bestaande technologie nog niet klaar was om de visie te ondersteunen, werd het concept de basis voor haar promotieonderzoek.
Terwijl ze vorderde, trouwde en een eigen gezin stichtte, weigerde Nagpal haar andere passies door haar carrière te laten verpletteren: schilderen, dansen en in het algemeen een vol, evenwichtig leven leiden. Nadat ze in 2004 een junior-faculteitspositie aan Harvard had gekregen, verwaarloosde ze academische politiek, weigerde ze de hele nacht laboratoriumsessies te doen en maakte ze er een beleid van om in het weekend geen e-mail te checken. Deze beslissingen, gedetailleerd in een 2013 Wetenschappelijke Amerikaan blogpost genaamd The Awesomest 7-Year Postdoc of: How I Learned to Stop Worrying and Love the Tenure-Track Faculty Life, resoneerde binnen en buiten de academische wereld. Een van haar collega's voorspelde dat haar post waarschijnlijk haar meest gelezen werk zou zijn. Toch slaagde Nagpal er nog steeds in om een vaste aanstelling te verdienen en de mogelijkheid om haar ideale laboratorium te vormen - een uitgebalanceerd, divers collectief dat in staat is tot het soort leiderloze interacties dat ze in de natuur bestudeert, maar toch openstaat voor begeleiding en instructie van een bepaalde goed afgeronde professor.
Een kilowarmer maken
Onlangs, bijna twee decennia nadat ze zijn witboek had gelezen, nodigde Nagpal Abelson uit in haar laboratorium om de amorfe computer te zien die werkelijkheid werd in de vorm van de 1024 kilobots. Elke robot staat op drie paperclipdunne metalen pootjes en is klein genoeg om in je ingesloten handen te verstoppen. Ze bewegen wanneer twee kleine motoren - het soort dat smartphones laat trillen - worden geactiveerd, waardoor de bots over gladde oppervlakken glijden; ze communiceren met elkaar door infraroodsignalen van de vloer te kaatsen. Ze hebben niet eens een aan / uit-schakelaar, want dat zou betekenen dat je een uur zou moeten besteden om ze allemaal aan te zetten. In plaats daarvan maakten de wetenschappers een toverstok die een infraroodsignaal uitzendt en de robots instrueert om in of uit te schakelen.
Toen Nagpal en Rubenstein, destijds haar postdoc en haar belangrijkste medewerker aan het project, hun kilobotzwerm begonnen te bouwen, was het veld zo jong dat het grootste collectief dat haar groep had gebouwd drie machines was. Niemand had duizend robots, herinnert ze zich. Honderd werd als een zeer, zeer groot aantal beschouwd. De duizend bereiken leek een onmogelijke taak, maar tegelijkertijd had je het gevoel dat als je dat deed, je iets zou leren dat je op geen enkele andere manier had kunnen leren.
Een van de eerste lessen was dat hoewel bepaalde algoritmen perfect werkten met tientallen robots, het gebruik van deze programma's met een veel groter aantal tekortkomingen aan het licht bracht. Hoewel ze zijn ontworpen om precies hetzelfde te zijn, zijn sommige robots iets sneller of langzamer, en toen Nagpal en de groep een zelfassemblageprogramma uitvoerden, waarbij de zwerm zichzelf moest transformeren van een amorfe klodder in een bepaalde vorm zoals een moersleutel of een zeester, was een enkele achterblijvende bot een groot probleem. Elke langzame robot of elke zich misdragende robot was een verkeersopstopping en kon het hele systeem platleggen, zegt ze. Toch veroorzaakten deze uitschieters dergelijke problemen niet in kleinere collectieven van minder dan 100 robots.
Over het algemeen leerde Nagpal dat zowel variatie - trage en snelle robots bijvoorbeeld - als zeldzame fouten, zoals een kilobot die gewoon stopte met werken, natuurlijke kenmerken waren van een groot systeem. Als je duizenden robots enkele uren liet draaien, zouden sommige met verschillende snelheden gaan en sommige zouden kapot gaan. Dit was geen grote verrassing; ze had het natuurlijke equivalent in Namibië en elders gezien. Individuele insecten gedroegen zich vaak anders, marcheerden even de verkeerde kant op, maar het collectief functioneerde nog steeds. Dus in plaats van te proberen perfecte machines te bouwen of de algoritmen te bewerken, besloot ze een tweede set algoritmen te ontwikkelen die fouten en variaties corrigeren. Nu, als een kilobot niet goed werkt, zullen zijn buren hem opdracht geven om opnieuw op te starten of, als dat niet lukt, zichzelf dood te verklaren. De laatste strategie is het zwerm-equivalent van het inschakelen van je gevaren op de snelweg en iedereen vertellen om om je heen te rijden. Het werkt: onder andere kunnen de kilobots worden geprogrammeerd om zichzelf in specifieke vormen samen te stellen zonder tussenkomst van de onderzoekers. In een aparte poging bouwden Nagpal en haar collega's een klein collectief van meer complexe robots die samenwerkten om basisstructuren te bouwen. Dit was het project dat leidde tot de reis naar Namibië. De onderzoekers waren van plan om hun robots te laten bouwen met massieve, geometrische schuimstenen totdat ze termieten in Namibië zagen bouwen met buigbare, meegevende klei. Toen ze terugkwamen in het lab, besloten ze extra robots te bouwen die zandzakachtige materialen en amorf schuim zouden verplaatsen. Toch had de reis ook een motiverend doel. De andere invloed was gewoon opnieuw verbaasd en nieuw leven ingeblazen over hoe effectief collectieve intelligentie kan zijn, zegt ze.
Nagpal hoopt dat de Panamese expeditie hetzelfde effect zal hebben op haar volgende project: een soort hybride van de kilobots en de constructierobots. Haar plan is om robots te ontwerpen die zich gedragen als legermieren en hun eigen lichaam gebruiken als basisconstructiemateriaal. Het doel is moeilijk en Nagpal erkent de grootsheid van de taak. Toch heeft ze er een regel van gemaakt om voorbij het aannemelijke te reiken. Onze dromen zijn vaak buiten de grenzen van wat mogelijk is, zegt ze. Maar het is ook waar dat halverwege de dromen nog steeds best cool is.