Бактерии делают это. Вирусы делают это. Черви, млекопитающие, даже пчелы — все делают это. Каждое живое существо на Земле воспроизводится, будь то бесполым (скучным) или половым (веселым) методом. Роботы этого не делают. Машины из стали не очень заинтересованы в воспроизводстве. Но, возможно, они смогут научиться. Ученые из области эволюционной робототехники пытаются заставить машины адаптироваться к миру и, в конечном итоге, воспроизводиться самостоятельно, подобно биологическим организмам.
К примеру, когда-нибудь два робота, которые особенно хорошо приспособлены к определенной среде, смогут объединить свои гены (ну ладно, код), чтобы создать с помощью 3D-принтера маленького робота-ребенка, у которого будет сила двух его предков. Если этот подход сработает, это может привести к появлению роботов, которые конструируют сами себя, создавая прекрасно адаптированные морфологии и модели поведения, о которых люди-инженеры никогда не мечтали.
Дети роботов
Это кажется странным и немного тревожным, но эволюционные робототехники уже занимаются такими фантастическими проектами. Инженеры из Австралии, например, разработали в прошлом году роботизированные ноги, сперва произвольно сгенерировав 20 форм. В ходе виртуального моделирования они проверили, насколько хорошо каждая из них будет ходить по разным поверхностям, то есть проверили «пригодность» в плане выживаемости наиболее приспособленных. Затем они взяли лучших исполнителей и «спарили» их, чтобы произвести похожие ноги — то есть, детей. Исследователи делали это снова и снова, поколение за поколением, и создавали ноги, которые были удивительным образом приспособлены для ходьбы по твердой земле, по гравию или по воде. Проекты сумасшедшие — похожи на людей из дерева, танцующих танцы из Fortnite (хороши для твердой почвы), и странным образом деформированные слоновьи ноги (хороши для воды).
В чем основная идея? Традиционно, когда инженеры начинают проектировать робота, они склонны использовать старые идеи. Почему у марсоходов шесть колес? Потому что шестиколесные машины хорошо работали на Марсе и раньше. Однако, возможно, дизайнеры что-то упустили. Прелесть эволюции в том, что она постоянно наталкивается на безумные идеи. Никто, например, не разработал грибок для проникновения в тела муравьев и контроля над ними в дождливом лесу — эта необычная стратегия появилась благодаря поколению случайных мутаций и естественному отбору.
Как и в природе, именно мутации будут определять эволюцию видов роботов. Важна вариативность. Когда два организма делают ребенка, их гены объединяются, однако в них проникают и мутации, что может привести к появлению у ребенка уникальных черт, вроде слегка измененного узора на крыльях. Такого рода мутации делает потомство более или менее приспособленным к конкретной среде. Если это неблагоприятная мутация, животное размножается не так эффективно (или вообще не размножается), и эти мутантные гены не передаются следующему поколению.
Посмотрите, чем занимается ученый в области компьютеров Гуш Айбен из Амстердамского свободного университета. Он берет двух относительно простых роботов, состоящих из соединенных модулей, и объединяет их, комбинируя их «геномы», которые несут информацию, скажем, об окраске. Он также добавляет шум в эту комбинацию данных, который имитирует биологическую мутацию, слегка изменяя потомство, так чтобы оно не было просто смесью родителей. «Один родитель полностью зеленый, другой полностью синий», говорит Айбен. «У ребенка какие-то модули будут синими, какие-то зелеными, но голова белая. Это мутационный эффект».
И с этим изменением появляется новый вид творчества в роботизированном дизайне. «Это дает вам разнообразие и возможность исследовать области дизайнерского пространства, в которые вы обычно не выходите», говорит исследователь Дэвид Говард, который разработал эволюционирующую систему ног и недавно опубликовал работу на тему эволюционной робототехники в Nature Machine Intelligence. «Одной из вещей, которая делает естественную эволюцию мощной, является идея о том, что она действительно может приспособить существо к окружающей среде».
Идея состоит в том, чтобы роботы адаптировались к нишам в определенной среде аналогичным образом. Допустим, вам нужен робот, который может самостоятельно исследовать джунгли. Это означает, что ему нужны алгоритмы, которые управляют тем, как он движется сквозь растительность, а также морфология, которая подходит для густого леса (поэтому никаких роторов). Сперва вы должны смоделировать эту среду для навигации, выбрать и отобрать тех из роботов, которые справляются с задачей лучше всего, а затем проектировать слегка измененные физические машины на основе этого.
«В итоге мы получили множество небольших роботов, которые простые и дешевые в изготовлении», говорит Говард. «Мы отправим их и некоторые будут лучше других». Если робот не вернется, значит он «не подходит» — естественный отбор в действии. Те, кто справится, начнет новое поколение, которое автоматически будет выпущено на 3D-принтере. Таким образом, роботизированные виды эволюционируют. Говард считает, что такие системы будут распространены через 20 лет.
К слову, о 3D-принтерах
Материалы, из которых эти роботы будут делаться, представляют собой небольшую проблему. «Если 3D-печать будет развиваться быстрее, эта идея станет реальностью, но современные принтеры работают очень медленно», говорит Хуан Кристобаль Загал, который изучает эволюционную робототехнику в Университете Чили. И машины, и печатные материалы очень дорогие. Но 3D-принтеры уже могут работать с самыми разными материалами, в том числе металлическими, и от этого они станут быстрее и дешевле.
В целом, диапазон и область применения этих роботов будут в значительной степени зависеть от того, как эти эволюционные системы будут проявлять творчество в работе с материалами. Делая обычных роботов, инженеры знают, какие материалы использовать, от металла в двигателях до углеродного волокна в конечностях — и эти знания сложились за многие десятилетия исследований. Однако эволюционные роботы открывают новый подход в применении материалов. Возможно, пластиковая нога будет лучше при ходьбе в определенной среде, чем углеродное волокно. Если робот выживет, значит, есть что-то в комбинации компонентов и материалов, которые сделали его пригодным для работы, или, в эволюционном смысле, в его нише.
«Возможно, если появится новый класс материалов, мы можем просто подключить его и он сможет выбирать», говорит Говард. «У человека-дизайнера освободится много времени».
