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Costruire i robot di domani
L'informatica del MIT Daniela Rus sta sognando il nostro futuro pieno di robot. 24 ottobre 2017
Josh Matteo
Quando Brandon Araki è arrivato al MIT nel 2015 come candidato per un master in ingegneria meccanica, ha portato con sé il picobug, un minuscolo robot in grado di volare, gattonare e afferrare piccoli oggetti. Prima che Araki entrasse a far parte del Distributed Robotics Lab (DRL) di Daniela Rus, aveva lavorato con collaboratori di diverse università sulla minuscola macchina autonoma, che pesa 30 grammi e sta nel palmo della sua mano. Non era sicuro di cosa avrebbe potuto fare dopo con il picobug, ma quando il suo nuovo capo lo ha visto in azione, è rimasta colpita. ne voglio un centinaio! ha detto Rus.
Questa richiesta non era solo avida eccitazione. Rus, che funge anche da direttore del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), immagina un futuro pieno di macchine autonome in grado di volare, guidare, eseguire semplici interventi chirurgici e altro ancora. Il mio grande sogno è avere un mondo con macchine pervasive, robotica pervasiva integrata nel tessuto della vita quotidiana, che aiuti tutti con il lavoro fisico e i compiti cognitivi, dice.
Un progetto volto alla progettazione di robot stampabili e facili da costruire ha prodotto questi robot funzionali realizzati in plastica stampata.
Nel caso del progetto di Araki, immagina una flotta di droni autonomi più grandi che sfrecciano in giro per una città consegnando pacchi. Ma questo è solo uno delle dozzine di sistemi che Rus e i suoi ricercatori stanno sviluppando e che potrebbero influenzare molte aree della vita quotidiana. Recentemente, hanno dimostrato robot delle dimensioni di una pillola che possono muoversi all'interno del corpo per riparare le ferite interne. Hanno programmato i droni per accoppiarsi con le auto a guida autonoma volando avanti e scansionando i punti ciechi. Hanno sviluppato nuove tecniche di comunicazione e modelli di sicurezza per sistemi multi-robot. Il suo laboratorio ha prodotto una nuova mano robotica, un pesce stampato in 3D che nuota come se fosse reale, un sistema di navigazione indossabile per non vedenti, pelli robotiche che assorbono gli urti e altro ancora.
Rus, una vincitrice di una borsa di studio per il genio MacArthur nel 2002, ha ottenuto per lei un riconoscimento mondiale lavoro pionieristico in robot modulari e riconfigurabili, sistemi multirobot e algoritmi di controllo. È vincitrice del premio alla carriera della National Science Foundation e membro dell'Association for the Advancement of Artificial Intelligence, IEEE, AAAS e Alfred P. Sloan Foundation, solo per citare alcuni dei suoi riconoscimenti. Molte delle cose che ha fatto sembrano magiche all'inizio perché sono idee geniali a cui nessuno ha mai pensato, dice il robotista Hod Lipson della Columbia University. È in anticipo sui tempi.
E i suoi studenti imparano a condividere il suo approccio fantasioso ma rigoroso alla robotica. Insieme ad altri collaboratori, lei e i suoi studenti hanno presentato 15 articoli alla IEEE International Conference on Robotics and Automation del 2017 a Singapore, coprendo tutte le aree del campo, dai nuovi algoritmi ai nuovi tipi di hardware. È un laboratorio incredibilmente produttivo e producono davvero progetti diversi, tutti creativi e affrontano alcuni problemi in un modo così solido, afferma l'informatica dell'Università di Harvard Radhika Nagpal. La bellezza tecnica della matematica nel suo lavoro è una cosa, ma c'è anche molta bellezza tecnica nei robot che costruisce. Raggiungere entrambi è insolito. Raggiungere entrambi in tanti campi diversi come lei è del tutto insolito.
Robot assortiti ispirati agli origami provenienti da più progetti sono allineati sugli scaffali del laboratorio di Rus. Molti sono auto-pieghevoli.
Corpo e cervello
Rus, 54 anni, è nata e cresciuta nella Romania comunista, dove il suo interesse per la tecnologia fantastica è stato alimentato in tenera età. Suo padre era uno scienziato informatico e lei era attratta dai gadget di Star Trek , la tecnologia di Jules Verne e un insolito cartone animato olandese, Barbapapà , che comprendeva una famiglia di blob mutaforma, incluso un inventore che ha costruito macchine straordinarie. Dopo che la sua famiglia è emigrata negli Stati Uniti, ha studiato informatica e matematica all'Università dell'Iowa e poi ha conseguito il dottorato di ricerca sotto il famoso teorico dell'informatica John Hopcroft alla Cornell University. (John ha detto che molti degli algoritmi classici sono stati risolti e che ora era il momento delle grandi applicazioni, ricorda. E per lui, le grandi applicazioni significavano robotica.) Eppure, mentre sviluppava algoritmi per aiutare i robot ad afferrare e manipolare gli oggetti per la sua ricerca di dottorato, ha scoperto che le capacità dei sistemi robotici alla fine degli anni '80 e all'inizio degli anni '90 non corrispondevano alle visioni di fantascienza della sua infanzia. Avevo questi splendidi algoritmi che funzionavano molto bene nella simulazione, ricorda, ma non c'erano dita di robot in grado di esercitare il tipo di forze e coppie di cui avevano bisogno i miei algoritmi.
Dopo Cornell, Rus è diventata professoressa di informatica al Dartmouth College, dove ha fondato il Dartmouth Robotics Lab. Aveva già lavorato su squadre di robot che recitavano di concerto e aveva ampliato la sua attenzione per includere robot modulari e auto-riconfiguranti che potevano assumere forme e forme diverse, proprio come i personaggi dei cartoni animati della sua infanzia. Tuttavia, ha incontrato la stessa sfida. Questi sistemi potrebbero essere pienamente dimostrati solo in simulazioni al computer. Le macchine effettive per eseguire i suoi algoritmi non erano ancora state costruite.
Crea un'atmosfera in cui è più probabile che le persone siano creative e provino qualcosa che potrebbe non avere senso a priori, ma che sarebbe davvero selvaggio e cool se fosse possibile. —Radhika Nagpal
Rus si rese conto che affinché i robot fossero veramente capaci, il loro cervello e il loro corpo dovevano essere ugualmente avanzati. Hai bisogno di un cervello in grado di controllare il corpo, ma il corpo deve essere capace del compito che gli assegni, dice. Quindi devi pensare alle capacità del corpo, quindi alla scienza e alla matematica che danno al corpo il sistema di controllo di cui ha bisogno.
Nel 2003, Rus è entrata a far parte della facoltà del MIT, portando con sé il suo laboratorio e ribattezzandolo Distributed Robotics Lab per allinearsi con la sua visione: un futuro di robot pervasivi. È diventata condirettore del Center for Robotics di CSAIL nel 2005 e direttore associato di CSAIL tre anni dopo; nel 2012 stava pensando di prendersi un anno sabbatico e lanciare una startup. La sua passione per la ricerca non era svanita: stava semplicemente cercando qualcosa di diverso. Poi ha appreso che la posizione di direttore si stava aprendo presso CSAIL. È un'organizzazione così straordinaria e ha svolto un ruolo così importante nel plasmare il futuro, dice. Essere in grado di aiutare a plasmare il modo in cui CSAIL va avanti, per contribuire a renderlo più impattante, era un po' come il sogno americano.
Il periodo sabbatico potrebbe aspettare.
Un robot a quattro rotori si trova in cima a un robot basato su ruote modellato sui rover su Marte; entrambi sono stati progettati con materiali economici. Il robot a quattro rotori è stato utilizzato per tracciare le balene e per mostrare telecamere volanti per una sorveglianza persistente.
Sterzo CSAIL
CSAIL era già affermato come il principale centro di ricerca al mondo per l'informatica quando Rus, la prima donna a guidare il laboratorio, è subentrata nel 2012. Oggi, CSAIL conta sette vincitori di MacArthur, otto vincitori del Premio Turing e un cavaliere (Tim Berners- Lee). Il più grande laboratorio di ricerca del MIT, ospita 115 ricercatori principali (PI), centinaia di scienziati e studenti e oltre 800 progetti di ricerca. Ci sono molte idee qui e ognuno dei nostri PI è un grande sognatore, dice Rus. Siamo una specie di unione di sogni e il mio ruolo è assicurarmi di avere l'ambiente per coltivare questi grandi sogni e idee.
Per fare ciò, Rus lavora per mantenere una cultura che supporti la crescita in tutti in CSAIL, dal personale amministrativo ai luminari della facoltà. Cerca di mantenere un senso di comunità attraverso i metodi usuali, inclusi incontri regolari, incontri sociali e simposi. Ma i suoi sforzi su questo fronte vanno anche dall'intensamente personale - una robotica ha parlato di come lo ha aiutato durante il divorzio - allo stravagante. Una volta, un pianoforte che Rus aveva comprato per sua figlia è stato erroneamente spedito al laboratorio invece che a casa sua e la gente ha iniziato a sedersi durante il giorno per suonare. Durante quelle due settimane, ho appreso che molti dei miei studenti erano in realtà artisti di grande talento, ricorda. Un giorno, ho sentito uno degli studenti suonare Chopin ed è stato così bello. Quando il pianoforte è stato rimosso, ha comprato una tastiera al laboratorio e i concerti improvvisati sono continuati.
Gli altri due pilastri della sua strategia per guidare CSAIL - risorse e idee - sono direttamente correlati. Rus identifica i problemi informatici che possono avere il maggiore impatto, quindi persegue partnership per assicurarsi i finanziamenti necessari per affrontarli. Un'iniziativa sui big data è stata lanciata proprio quando è diventata direttrice nel 2012 e da allora ha lanciato altre quattro importanti iniziative sponsorizzate dal settore o dal governo incentrate sulla sicurezza informatica, sui veicoli autonomi, sull'apprendimento automatico e sull'assistenza sanitaria.
Ad esempio, Rus ha forgiato un programma per veicoli autonomi da 25 milioni di dollari con Toyota, formando il Centro di ricerca congiunto Toyota-CSAIL. Invece di auto completamente senza conducente come quelle che Google o Uber stanno tentando di costruire, immagina veicoli dotati di telemetri laser e altri sensori avanzati che potrebbero essere utilizzati per aiutare le persone a guidare in sicurezza in città affollate o in condizioni meteorologiche avverse. L'auto assumerà il controllo completo solo se ci si sta avvicinando a una svolta pericolosamente veloce, ad esempio, o se si cambia corsia quando un'altra macchina è già lì.
Questa impresa da sola include 17 diversi progetti che coinvolgono vari laboratori CSAIL, incluso il suo DRL e gruppi che si concentrano su visione artificiale, apprendimento automatico e sviluppo di sensori. Sono molto interessata a progetti che attraversano più campi dell'informatica e sono più grandi di quello che ogni singolo ricercatore può fare, spiega. In qualità di regista, Rus si considera anche una portavoce del laboratorio, una specie di scienziato narratore che viaggia letteralmente per il mondo intrattenendo i ricercatori in conferenze e incontri con i racconti delle ultime imprese di CSAIL. Nagpal afferma che i discorsi di Rus ispirano il suo stesso gruppo ad Harvard e sospetta di avere lo stesso effetto sugli altri. È la persona che ti fa sentire che dovrebbe essere divertente, dice Nagpal. Crea un'atmosfera in cui è più probabile che le persone siano creative e provino qualcosa che potrebbe non avere senso a priori, ma che sarebbe davvero selvaggio e cool se fosse possibile.
Scienza dell'autonomia
Rus afferma che il lavoro nel DRL ha lo scopo di far progredire la scienza dell'autonomia. I progetti generalmente seguono la stessa ampia metodologia. La maggior parte inizia identificando e comprendendo un problema e immaginando i robot che potrebbero risolverlo (se esistono già o devono essere costruiti da zero). Quindi i ricercatori sviluppano algoritmi per controllare le macchine, eseguirle in simulazione e infine testarle nel mondo reale.
I risultati spesso sfidano la definizione standard di robot. Nel 2016, Rus, lo studente laureato in ingegneria meccanica Steven Guitron, il postdottorato CSAIL Shuguang Li e colleghi di altre istituzioni hanno introdotto un robot ingeribile ispirato agli origami. Per farlo funzionare, hanno dovuto progettare un corpo robotico che potesse essere compresso in una capsula delle dimensioni di una pillola, quindi aprirsi e svolgere compiti quando la capsula si è dissolta. La macchina in miniatura non è stata ancora testata in vivo, ma Rus afferma che le versioni future potrebbero essere microchirurghi, che eseguono interventi chirurgici senza incisioni o dolore fisico.
Dice che dobbiamo pensare alla tecnologia che dobbiamo creare tra 10 anni, come pensare a problemi che sono importanti non solo per la prossima iterazione, ma per le prossime cento iterazioni di una tecnologia, afferma il postdottorato Cristian-Ioan Vasile.
I robot origami si collegano al suo precedente lavoro sulle macchine auto-riconfiguranti, ma riflettono anche uno sforzo maggiore per reimmaginare il corpo del robot. Rus ha lanciato il Soft Robotics Group all'interno del suo laboratorio a causa della sua convinzione che le macchine rigide e rigide abbiano troppi limiti. Uno dei primi membri del gruppo, Robert Katzschmann, ha realizzato un pesce stampato in 3D con attuatori flessibili o muscoli artificiali. Più tardi, mentre lavorava con altri membri per migliorare la capacità di un robot di afferrare oggetti fragili, in modo simile al compito che Rus ha cercato di affrontare nel suo lavoro di dottorato, Katzschmann ha rimodellato gli attuatori che aveva sviluppato per il pesce per aiutare a progettare un nuovo tipo di mano per robot umanoidi come Baxter. (Baxter nasce da un'idea dell'ex direttore di CSAIL Rodney Brooks e della sua azienda, Rethink Robotics.) A differenza delle rigide forme robotiche del passato, la morbida mano a tre dita di Katzschmann può piegarsi e toccare, permettendole di raccogliere una gamma più ampia di oggetti —e identificarli senza utilizzare algoritmi di visione.
I fiori robot, che possono essere fatti sbocciare o cambiare colore con un tablet, sono progettati per interessare i bambini alla robotica.
Rus lavora anche per migliorare la capacità dei robot di ragionare e prendere buone decisioni. Vasile sta sviluppando algoritmi che assicurano che le auto a guida autonoma operino sempre in sicurezza, evitando collisioni con altri veicoli e pedoni, e che trovino anche il giusto equilibrio tra il rispetto delle regole della strada e il raggiungimento efficiente della loro destinazione. (Ad esempio, la modalità predefinita di rimanere sulla corsia di destra potrebbe essere ignorata dalla necessità di spostarsi in un cantiere edile.) Tuttavia, un'auto intelligente può prendere decisioni solo in base ai dati a cui può accedere. Ad esempio, il veicolo non sarà in grado di vedere dietro gli angoli in un garage stretto. Quindi un altro gruppo DRL ha accoppiato un'auto robotica con un drone autonomo. Quando l'auto identifica i punti ciechi, il drone vola avanti, scansiona queste aree alla ricerca di potenziali pericoli e quindi invia il video al veicolo per l'elaborazione.
Allo stesso modo, affinché Araki costruisse lo sciame di robot richiesto da Rus, ha dovuto ripensare sia i robot fisici che i loro sistemi di controllo. Ha scambiato le gambe del picobug con ruote più affidabili e più facili da controllare. Successivamente, ha dovuto capire come i suoi robot si sarebbero orientati in un ambiente urbano simulato. Non aveva mai progettato questo tipo di sistema di controllo - il suo background è in ingegneria meccanica - ma Rus si aspetta che i suoi studenti siano versatili. Quindi ha adattato un algoritmo progettato per aiutare sciami di robot a pianificare collettivamente percorsi veloci e senza collisioni. Poiché i suoi robot potevano volare, Araki ha modificato l'algoritmo in modo che si estendesse anche ai veicoli che si muovono sopra il marciapiede, quindi lo ha ottimizzato per l'efficienza in modo che i droni non esaurissero rapidamente la carica della batteria. Finora ne ha costruiti otto e, con l'aiuto di Rus e di altri membri del laboratorio, ha dimostrato che le auto volanti possono sfrecciare intorno a una città modello di nove metri quadrati senza scontrarsi.
La comunicazione è l'altra chiave per realizzare il futuro pieno di robot di Rus. Se sciami di macchine capaci funzioneranno nel mondo reale, che stiano volando, guidando o rotolando per casa, dovranno comunicare in modo più efficace tra loro e con gli umani. Con l'aiuto di Rus, l'informatica DRL Stephanie Gil ha sviluppato algoritmi che consentono ai robot di rilevare le variazioni nella potenza del segnale wireless, stimare dove i segnali potrebbero essere migliori e spostarsi in quei punti per migliorare la loro capacità di comunicare. Questo potrebbe essere fondamentale se dovessi inviare una flotta di robot sul luogo di un disastro naturale, spiega Gil, poiché consentirebbe a più macchine di perlustrare lo spazio in modo efficiente e condividere rapidamente le informazioni critiche tra loro e con qualsiasi funzionario umano.
Imparando di più su come si propagano i segnali wireless, Gil ha anche trovato un modo per indovinare la probabile fonte di un dato segnale e se proveniva da un'entità nota, come un altro robot nella stanza, o da una parte non identificata. Possiamo identificare se c'è uno spoofer o un agente dannoso che aggiunge informazioni all'immagine che non sono effettivamente valide, dice. Se la visione di Rus si realizza, questo potrebbe rivelarsi incredibilmente importante. Un hacker che si impossessa del tuo computer è già abbastanza minaccioso. Ora immagina quell'individuo che afferra il volante digitale della tua auto a guida autonoma.
Sebbene possano sembrare progetti disparati per l'esterno, i collegamenti tra aree come i pesci robotici, la sicurezza, le auto autonome e i droni sono chiari per Rus e i suoi studenti. Potresti pensare che queste cose siano sconnesse, ma c'è un quadro più ampio, dice Katzschmann. Se vuoi creare robot in grado di fare cose che tutti possono utilizzare, devi avere innovazioni in molti campi diversi. Daniela ha la visione che alla fine unirà tutte queste cose.
Quella visione è ciò che la motiva a finire un discorso TEDx a tarda notte e continuare a incontrare i membri del suo laboratorio la mattina successiva, o a volare in Cina per 24 ore per discutere di una potenziale partnership di ricerca, quindi riprendere il suo lavoro il giorno successivo. Non c'è spazio per il riposo quando stai costruendo il futuro. Vent'anni fa, il calcolo era riservato a pochi esperti, e ora guarda dove siamo oggi, dice. L'informatica ha davvero rivoluzionato il modo in cui lavoriamo, come viviamo e come giochiamo, e mi piacerebbe vedere lo stesso tipo di impatto dai robot.