Film „Giganci ze stali” (ang. „Real Steel”) dzieje się w niedalekiej przyszłości (za dziesięć lat), w  świecie bardzo podobnym do nam współczesnego. Ludzie jeżdżą samochodami, rozmawiają przez komórki, używają laptopów dokładnie tak samo jak dziś. Jedynie świat sportów walki przeżył rewolucję. To już nie ludzie toczą pojedynki, ale roboty: walki ludzi są zakazane. Roboty-bokserzy ruszają się i walczą jak ludzie, a ich twórcy zaopatrzyli je nawet w sztuczny „układ krwionośny”, dzięki czemu zmaltretowana przez przeciwnika maszyna „krwawi” na obraz i podobieństwo swego białkowego pierwowzoru. Zastanówmy się: czy możliwe jest zbudowanie takiego robota-boksera?

Lewy prosty, prawy sierp!

Robot-bokser musi przede wszystkim bić przeciwnika i to w taki sposób, by więcej szkody zadać jemu niż sobie. Cios musi być zadany w sposób sprężysty, tak aby siła uderzenia była w  pełni wykorzystana. W pierwszym przypadku siła działa na ciało, w które trafiło uderzenie, a w przypadku ciosu niesprężystego – siła rozproszy się również na kończynę uderzającego, niszcząc ją. Szczególnie metalowe konstrukcje mogą być na to narażone!

„To złożona kwestia” – mówi Marcin Kaczmarski, asystent w Zakładzie Sterowania Robotów Politechniki Łódzkiej. – „Pewnych wskazówek dostarcza tutaj budowa robotów rehabilitacyjnych, działających w interakcji z człowiekiem. Roboty takie muszą umieć powtarzać zaprogramowane przez fizjoterapeutę ruchy, np. zgięcie i wyprost w stawie kolanowym. Dodatkowo muszą być w stanie wyczuć stany napięcia mięśniowego i odpowiednio modyfikować zaprogramowane zadanie. Jeśli kończyna się napina, to robot – przykładając zbyt dużą siłę – może skrzywdzić pacjenta. Powinien zatem umieć płynnie przechodzić od sterowania pozycyjnego (zadana trajektoria ruchu) do sterowania siłowego (przełożenie siły w określonym kierunku) i na odwrót. Powinien umieć „zmiękczyć” swoje ruchy, tak by móc poddać się nieoczekiwanym reakcjom ze strony pacjenta. 

Bardzo podobnie wyglądałaby sytuacja w przypadku robota przeznaczonego do walki. W momencie zadawania ciosu musi on umieć znaleźć punkt pośredni między sterowaniem pozycją a sterowaniem siłą. Inaczej w momencie uderzenia siła ciosu uszkodzi jego kończynę tak samo jak i kończynę przeciwnika. „Konieczne jest, by robot był w stanie precyzyjnie wyprowadzić cios, sterując ręką pozycyjnie, lecz na chwilę przed uderzeniem zwiotczyć całą rękę i uderzyć robota siłą bezwładności kończyny” – tłumaczy Marcin Kaczmarski. 

Ach, te baterie

Innym palącym problemem konstrukcyjnym jest kwestia napędu i zasilania. Asimo, dzieło Hondy, jeden z  najdoskonalszych współczesnych robotów humanoidalnych, zdolny naśladować chód człowieka, biegać i omijać przeszkody, może funkcjonować bez doładowywania baterii jedynie 40 do 60 minut. Czas ładowania baterii to aż 4 godziny! Możemy sobie wyobrazić, ile energii zużyje podczas walki taki robot. Człowiek, chodząc, zużywa około 160 kcal, a w czasie walki nawet do 800 kcal na godzinę! Naładowana do pełna bateria Asimo starczyłaby więc na maksimum 10-minutową walkę – czyli na trzy rundy zawodowego pojedynku. Na pełne dwanaście rund trzeba by znacznie powiększyć pojemność akumulatorów.

Jest jednak trudniejszy problem – dzisiejsze baterie nie są w stanie wygenerować wystarczającej mocy (tzn. uwolnić odpowiednio dużo energii w krótkim czasie), by napędzić szybko poruszającą się, ciężką stalową maszynę. „Zasilanie jest dużym problemem, obecnie nie dałoby się wyprodukować robota do walk, który nie byłby podłączony do stałego źródła energii zapewniającego mu wystarczającą moc” – uważa Marcin Kaczmarski.

A jakiego rodzaju napęd powinien mieć taki robot? Jak tłumaczy Kaczmarski, napędy elektryczne są powszechnie stosowane, ze względu na łatwość sterowania nimi i powszechność ich źródła zasilania w postaci energii elektrycznej. Moc z nich generowana w stosunku do ich wagi jest jednak niewielka w porównaniu z napędami pneumatycznymi i hydraulicznymi. Jeżeli chcielibyśmy uzyskać dużą moc przy relatywnie niewielkiej wadze, rozwiązaniem byłby napęd hydrauliczny. Jest to jednak „brudna” technologia, oparta na olejach, i pęknięcie w czasie walki hydraulicznego przewodu zasilającego byłoby nie lada problemem. Poza tym taki mechanizm jest sztywny i wolny, a to wpływałoby na możliwości dynamicznego sterowania ruchem. W przypadku napędów pneumatycznych istnieje możliwość szybkiej regulacji zadanej pozycji, zmiany sztywności i generowanej siły.

Są one jednak trudne w  sterowaniu ze względu na sprężyste właściwości powietrza użytego w takim napędzie.

Karzełki ze stali

Tu warto zaznaczyć, że roboty do walki są już konstruowane. Na RoboGames w San Francisco występują różne wersje Gigantów ze Stali: roboty boksujące, walczące w sumo, kung-fu. Jedyny problem to to, że dzisiejsi „Giganci” nie przekraczają 18 cali wysokości, czyli w przybliżeniu 45 cm. Większość wystawionych w konkurencji konstrukcji to roboty gąsienicowe lub poruszające się na kołach. Robotów humanoidalnych jest niewiele, a ich słabym punktem jest stabilność. Większość łatwo traci równowagę pod naporem ciosów przeciwnika.

 

Ten problem próbują rozwiązać Chris Atkeson i Ben Stephens z Carnegie Mellon Uni-versity (CMU) w Pittsburghu w stanie Pensylwania. Naukowcy pracują nad konstrukcją robota, będącego w stanie wytrzymać siłę uderzenia 40 newtonów na sekundę. Jest to siła, z jaką bokser na ringu zadaje cios przeciwnikowi. Sarcos, dziecko tandemu, sprostał postawionemu mu zadaniu. Uderzony powraca do pionu! Jest to pierwszy robot, któremu udaje się utrzymać równowagę po odepchnięciu w tył. Zdawałoby się, nic prostszego. A jednak. Robot musi podjąć w czasie wykonywania zadania szereg decyzji: czy przekręcić stopę, czy zrobić krok do przodu, czy zmienić kąt ugięcia stawów (i o ile). Wszystko po to, aby zachować równowagę, utraconą w wyniku nagłej zmiany położenia punktu ciężkości. Istotne jest również wzajemne ułożenie przestrzenne punktu ciężkości robota i ramienia wypychającego go do tyłu. Te wszystkie decyzje podejmuje również ludzki mózg wiele razy dziennie, lecz my sobie z tego nie zdajemy sprawy. Wiele lat upłynie, zanim człowiekowi uda się  skontrować system, który poza wiernym naśladowaniem ludzkich ruchów będzie umiał dostosować się do ruchów przeciwnika.

Pozostaje nam jeszcze odpowiedzieć na pytanie, jak nauczyć robota walczyć? W filmie zaznacza się konflikt między dwiema strategiami programowania robotów do walki: Atom, przestarzały model znaleziony przez głównego bohatera na wysypisku (Hugh Jack-mann), posiada funkcję „Shadow”. Dzięki niej człowiek przez pantomimę przekazuje maszynie swoje ruchy. Część z tych ruchów może być następnie odtwarzana w dowolnych kombinacjach, maszyna jest więc po części autonomiczna. Zeus, oponent Atoma, jako nowszy model ma już wbudowany program monitorujący ruchy człowieka. Jest on w stanie na podstawie obserwacji klatek wideo sam skonstruować schemat postępowania niezbędny mu do walki, a nawet może na bieżąco „dostosować się” do sekwencji ruchów i siły uderzenia przeciwnika. Atom może jednak być podłączony do swojego ludzkiego sterownika w każdej chwili i ta umiejętność okazuje się być decydująca... Zeus jest robotem autonomicznym, sam tworzy swój algorytm sterujący. Która z  tych strategii jest lepsza? I czy w ogóle jesteśmy w stanie sterować maszynami na odległość, używając do tego jedynie myśli czy po prostu ruchów naszego ciała?

Połączenia człowiek–maszyna są już budowane, znalazły zastosowanie w protetyce. Przekazywanie informacji o pozycji np. kończyn człowieka odbywa się tutaj na zasadzie  fizycznej łączności (przez kabel bądź inne połączenie mechaniczne) między człowiekiem a np. ramieniem robota. Były również próby konstruowania urządzeń włączanych ludzką myślą. Asimo (wspomniany wyżej) może być kontrolowany (w ograniczonym zakresie) za pomocą hełmu rejestrującego ludzkie EEG i obserwację przepływu krwi przez ośrodki mózgu odpowiedzialne za kontrolę ruchów. Ta kombinowana metoda jest konieczna, ze względu na niedoskonałość odczytu aktywności elektrycznej mózgu przy użyciu zewnętrznych elektrod (czaszka rozprasza fale elektryczne). Można też próbować pokusić się o odczyt potencjałów mięśniowych (EMG), wtedy jednak musimy wszczepić elektrody w poszczególne włókna mięśniowe. Taka metoda jest jednak wysoce inwazyjna! 

Ludzie próbowali też „uczyć” maszynę ruchu na zasadzie obserwacji, tak jak w filmie. Learning from Demonstration (LfD) to taktyka wykorzystana przez ekipę Soni Chernovej z Worcester Polytechnic Institute w stanie Massachusetts. Doszła ona do wniosku, że to raczej nieprawdopodobne, aby robotycy byli w stanie przewidzieć i zaprogramować każdy pożądany ruch robota w fabryce. Postanowiła więc skonstruować robota, którego można nauczyć poruszania się. Do tego celu użyto czujnika Microsoft Kinect znajdującego się na konsolach do gier wideo Xbox 360. Wmontowana w niej kamera 3 D służy przeniesieniu ruchów człowieka na ruchy animowanej postaci gry (kamera integruje sygnały o głębi ostrości z rejestracją zmian położenia obiektów w przestrzeni dwuwymiarowej i oblicza trajektorie ruchu w trzech wymiarach; pomiar zachodzi dzięki monitorowaniu ruchu równocześnie w podczerwieni oraz w zakresie światła widzialnego). Studenci Chernovej zbudowali robota naśladującego ludzkie ruchy, podłączonego do czujnika Kinect. Nao jest w stanie powtarzać wiele – nieraz bardzo skomplikowanych – ruchów jedynie obserwując człowieka. A więc roboty takie jak Atom już istnieją! 

Czy jednak taka strategia jest wystarczająca? Otóż nie. Takiego zdania jest też prof. Drew Bagnell z Carnegie Mellon Institute. Należy iść dalej robot nieposiadający autonomii, będzie nieużyteczny. Skonstruowany pod kierownictwem prof. Bagnella autonomiczny robot militarny DARPA's Crusher (ma postać przypominającą czołg) najlepiej pokonywał przeszkody, kiedy uczył się tego na początku od człowieka. Taktyki polegające na zostawieniu robota samemu sobie i sterowaniu nim całkowicie przez człowieka, okazywały się mniej skuteczne. Robot, analizując postępowanie człowieka, sam ustalał, jaki będzie najlepszy algorytm postępowania w danej sytuacji. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu wspomnianych sieci neuronalnych, samouczących i podlegających ewolucji programów.

Możliwe czy nie?

Podsumowując: ciężkich robotów-bokserów dziś jeszcze nie potrafilibyśmy skonstruować. Choć niewykluczone, że postęp techniczny umożliwi to w przyszłości. Czy już za dziesięć lat, jak chcieliby autorzy filmu? Eksperci są podzieleni: profesor Ryszard Tadeusiewicz z krakowskiej AGH uważa, że tak. „Inna sprawa, czy ludzie będą  znajdowali przyjemność w oglądaniu tego typu igrzysk i czy będzie w  zawiązku z tym popyt na takie wyroby” – zastrzega.

Odmiennego zdania jest Marek Krajewski: „Wątpię, czy dziesięć lat wystarczy. Istnieje projekt Robot Soccer World Cup, którego założeniem jest rozegranie w 2050 roku meczu futbolowego między drużynami ludzi i robotów humanoidalnych. Taki mecz miałby się odbyć według wszystkich reguł FIFA i miałby być wygrany przez drużynę robotów. Poziom skomplikowania takich robotów nie byłby podobny do poziomu skomplikowania robotów do walk. Jednak ten termin jest zbyt optymistyczny, biorąc pod uwagę obecny stan zaawansowania konstrukcji, materiałów i rozwiązań programistycznych”.

Cóż – poczekamy, zobaczymy.