METAMORFOZY ROBOTÓW.pdf

robotw

W 2050 roku ãmzgiÓ robotw Ð komputery wykonujce

100 bln operacji na sekund« zaczn konkurowa z ludzk inteligencj

Hans Moravec

cigu ostatnich kilku lat nies¸ychany wzrost

szybkoæci dzia¸ania minikomputerw i spa-

dek ich cen, a takýe coraz wi«ksza powszech-

noæ Internetu znacznie wykroczy¸y poza

wczesne prognozy co do tempa rozwoju techniki i jej

przydatnoæci w ýyciu codziennym. Eksperci przepo-

wiadaj, ýe æwiat zostanie nasycony pot«ýnymi proce-

sorami, ktre przenikn do naszych urzdzeÄ, miesz-

kaÄ, strojw, a nawet do naszych cia¸.

A jednak dziwnym sposobem jeden cel wciý pozo-

staje nieosigalny. W odrýnieniu od doæ nieoczekiwa-

nego wtargni«cia komputerw do g¸wnego nurtu

ýycia, w ca¸ej dziedzinie robotyki tylko w niewielkim

stopniu zrealizowano przewidywania z lat pi«dzie-

sitych. W tamtych czasach eksperci Ð oszo¸omieni

niezwyk¸ymi moýliwoæciami obliczeniowymi kompu-

terw Ð sdzili, ýe jeæli tylko napisane zostan odpo-

wiednie programy, to maszyny te b«d pe¸ni rol«

sztucznych mzgw w zaawansowanych robotach au-

tonomicznych. Wierzyli, ýe w cigu 10Ð20 lat roboty

takie czyæci b«d pod¸ogi w naszych mieszkaniach,

kosi trawniki i Ð eliminowa z naszego ýycia mozol-

n prac«.

Oczywiæcie, sta¸o si« inaczej. Prawd jest, ýe roboty

przemys¸owe przeobrazi¸y m.in. proces produkcji sa-

mochodw. Ale tego typu automatyzacja niewiele ma

wsplnego z wszechstronnymi, poruszajcymi si« (mo-

bilnymi) autonomicznymi tworami, ktrych oczekiwa-

¸o tak wielu naukowcw i inýynierw. W dýeniu do

stworzenia takich robotw zniech«ci¸y si« ca¸e poko-

lenia badaczy i upad¸o wiele przedsi«biorstw.

Problem tkwi nie w tym, ýe nie udaje si« skonstru-

owa mechanicznego ãcia¸aÓ; ramiona ze stawami i in-

ne ruchome mechanizmy potrzebne do operacji ma-

nualnych juý istniej, czego dowodem s roboty

przemys¸owe. Trudnoæ polega raczej na niewielkich

post«pach w budowaniu komputerowego sztucznego

mzgu: obecne rozwizania znajduj si« znacznie po-

niýej poziomu wydajnoæci, koniecznego do zbudowa-

nia robota podobnego do cz¸owieka.

Niemniej jestem przekonany, ýe sen o uýytecznym,

wszechstronnym robocie autonomicznym spe¸ni si«

w niezbyt odleg¸ej przysz¸oæci. Do roku 2010 skonstru-

ujemy roboty wielkoæci cz¸owieka, ale ich moýliwoæci

poznawcze w duýym stopniu b«d podobne do tych,

jakimi dysponuje jaszczurka. Maszyny b«d mog¸y wy-

konywa proste zadania, takie jak sprztanie za pomo-

c odkurzacza, æcieranie kurzu, dostarczanie paczek

i wynoszenie æmieci. Sdz«, ýe w 2040 roku osigniemy

pocztkowy cel robotyki i urzeczywistnimy wizj« fan-

tastyki naukowej: swobodnie poruszajc si« maszy-

n« o moýliwoæciach intelektualnych istoty ludzkiej.

Powody do optymizmu

Dlaczego pomimo niespe¸nionych marzeÄ robotyki

wierz«, ýe szybki post«p i osza¸amiajce rezultaty s

blisko? Moje przekonanie opieram zarwno na nowych

osigni«ciach w elektronice i oprogramowaniu, jak

rwnieý na poczynionych w ostatnich 30 latach obser-

wacjach, dotyczcych robotw i komputerw, a takýe

owadw, gadw i innych ýyjcych stworzeÄ.

Najwaýniejszy powd do optymizmu to gwa¸tow-

nie rosnce w ostatnich czasach osigi komputerw

produkowanych masowo. W latach siedemdziesitych

i osiemdziesitych komputery dost«pne badaczom

w dziedzinie robotyki, mog¸y wykonywa oko¸o mi-

liona rozkazw na sekund« (MIPS Ð million instruc-

tions per second). Kaýda z tych instrukcji przedstawia-

¸a elementarne zadanie, takie jak dodawanie dwch

dziesi«ciocyfrowych liczb czy zapisywanie wyniku

w okreælonym miejscu w pami«ci.

W latach dziewi«dziesitych moc obliczeniowa

komputerw, nadajcych si« do sterowania robotem

badawczym, przekracza¸a kolejno granice 10 MIPS,

100 MIPS, a ostatnio w najbardziej wydajnych mo-

delach komputerw sto¸owych dosz¸a do 1000 MIPS.

Nowy laptop firmy Apple Ð iBook Ð sprzedawany

w czasie pisania tego artyku¸u po cenie detalicznej

1600 dolarw Ð osiga ponad 500 MIPS. Tak wi«c funk-

cje, niewykonalne dla robotw w latach siedem-

dziesitych i osiemdziesitych, wkrtce b«d realizowa-

ne masowo.

Przyk¸adem moýe by eksperymentalny pojazd na-

zwany Navlab V, ktry w padzierniku 1995 roku prze-

jecha¸ przez USA, z Waszyngtonu, D.C. do San Die-

go w Kalifornii, poruszajc si« samodzielnie przez

ponad 95% czasu. W uk¸adzie sterujcym i nawigacyj-

nym tego pojazdu zastosowano laptop o wydajnoæci

25 MIPS z mikroprocesorem firmy Sun Micorsystems.

Navlab V zosta¸ zbudowany w Robotics Institute

w Carnegie Mellon University, ktrego jestem pracow-

Twarz robota skonstruowanego w Science University of

Tokyo do badaÄ mechanizmw wyraýania ekspresji

i reagowania na ni. Porozumiewanie niewerbalne

(pozas¸owne, np. gestami i mimik) odegra duý rol«

w kontaktach robotw nast«pnych generacji z ludmi.

88 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

Metamorfozy

Zdaniem ekspertw za 10Ð20 lat

roboty b«d odkurza pod¸ogi, kosi traw«

i odciý nas od innych

codziennych, mozolnych prac.

dw neuronw, aby w cigu minut zdzia¸a to,

co setki neuronw specjalnie po¸czonych i przy-

gotowanych do obliczeÄ mog¸yby wykona

w cigu milisekund.

Niewielu ludzi rodzi si« z niezwyk¸ymi, wy-

dawa¸oby si«, zdolnoæciami do wykonywania

obliczeÄ w pami«ci. W liczbach bezwzgl«dnych

ich osigni«cia nie s takie osza¸amiajce; ci ge-

nialni rachmistrze przeprowadzaj obliczenia

oko¸o 100 razy szybciej niý przeci«tna osoba.

Dla porwnania: komputery s miliony i miliar-

dy razy szybsze.

nikiem. Podobne pojazdy sterowane automa-

tycznie, skonstruowane przez badaczy w innych

miejscach w USA i Niemczech, przejecha¸y po

autostradach tysice kilometrw w rýnorod-

nych warunkach atmosferycznych i drogowych.

W innych eksperymentach, przeprowadzo-

nych w cigu ostatnich kilku lat, samojezd-

ne roboty bada¸y rozk¸ad pomieszczeÄ biuro-

wych i manewrowa¸y w nich, a komputerowe

systemy rozpoznawania obrazw lokalizowa¸y

obiekty o zrýnicowanej powierzchni, wyszu-

kujc jednoczeænie i analizujc twarze w czasie

rzeczywistym. W tym samym okresie kompute-

ry osobiste wyposaýono w ulepszone oprogra-

mowanie do rozpoznawania tekstw i mowy.

Symulacja ýywego mzgu

Wyzwaniem dla robotykw jest wykorzysta-

nie komputerw uniwersalnych i zaprogramo-

wanie ich tak, aby ich osigni«cia by¸y porw-

nywalne z wydajnoæci wysoce wyspecjalizowa-

nego ludzkiego mzgu Ð niezwykle zoptymali-

zowanymi zdolnoæciami postrzegania, odzie-

dziczonymi po przodkach, i innymi ewolucyj-

nie ukszta¸towanymi cechami szczeglnymi.

Dzisiejsze komputery sterujce robotami s zbyt

s¸abe, aby je z powodzeniem zastosowa w tej

roli. Jednak osigni«cie przez nie poziomu wy-

starczajcego do wykonania tego zadania jest

tylko kwesti czasu.

W moim stwierdzeniu, ýe w koÄcu kompu-

tery b«d zdolne do tego samego rodzaju per-

cepcji, poznania i myælenia co ludzie, zawarta

jest implicite koncepcja, ýe powstan dostatecz-

nie zaawansowane i wyrafinowane sztuczne

systemy Ð na przyk¸ad elektroniczne Ð zapro-

gramowane do wykonywania tych samych

czynnoæci co ludzki uk¸ad nerwowy, w tym rw-

nieý mzg. Pogld ten budzi obecnie kontro-

wersje w pewnych kr«gach i niektrzy mog si«

z nim nie zgadza.

Podstawowy problem to wtpliwoæ, czy

struktury biologiczne i zachowania wynikaj

ca¸kowicie z praw fizyki i Ð co nie mniej waýne

Ð czy prawa te poddaj si« obliczeniom, inny-

mi s¸owy, czy moýliwa jest ich symulacja kom-

puterowa. Wed¸ug mnie nie ma wystarczaj-

cych danych naukowych, by zanegowa

ktrekolwiek z tych stwierdzeÄ. Wr«cz przeciw-

nie, istniej przekonujce wskazwki, ýe oba

stwierdzenia s prawdziwe.

Komputery wykonuj czynnoæci, o ktrych

kiedyæ sdzono, ýe s domen tkanki nerwowej

Ð czytaj, rozpoznaj mow«, steruj ramionami

robotw, aby mog¸y one ¸czy ciasno dopaso-

wane cz«æci, pos¸ugujc si« wirtualnym doty-

kiem, klasyfikuj chemikalia za pomoc sztucz-

nego zmys¸u zapachu i smaku, przeprowadzaj

rozumowania dotyczce abstrakcyjnych zagad-

nieÄ itd. Oczywiæcie, dzisiejszym komputerom

i robotom daleko do ogromnych moýliwoæci

cz¸owieka czy teý nawet do zdolnoæci, ktrymi

obdarzone s zwierz«ta. Wsp¸czesne maszyny

dysponuj moc obliczeniow, ktra wystarcza

jedynie do wykonywania funkcji uk¸adu ner-

wowego owada. I z tego, co wiem, w prostych

zadaniach roboty w istocie sprawuj si« tak jak

owady.

Pewien paradoks

Obecnie jednak komputery cigle nie mog

konkurowa z ludmi w takich funkcjach, jak

rozpoznawanie czy nawigacja. Przez wiele lat

wprawia¸o to ekspertw w zak¸opotanie, ponie-

waý komputery s od nas znacznie lepsze w ob-

liczeniach. Wyjaænienie tego pozornego para-

doksu opiera si« na fakcie, ýe ludzki mzg, jeæli

wemiemy pod uwag« wszystkie jego funkcje,

tak naprawd« nie jest programowalnym, uni-

wersalnym komputerem. (Naukowcy nazywa-

j go maszyn uniwersaln Ð prawie wszystkie

obecne komputery s takimi maszynami).

Zrozumienie tego wymaga spojrzenia z per-

spektywy ewolucji. Aby przetrwa, nasi dalecy

przodkowie musieli systematycznie wykony-

wa dobrze kilka czynnoæci: znajdowa poýy-

wienie, ucieka przed drapieýnikami, ¸czy si«

w pary, rozmnaýa i chroni potomstwo. Reali-

zacja tych zadaÄ zaleýa¸a przede wszystkim od

zdolnoæci mzgu do rozpoznawania i nawigacji.

Doskonalony przez setki milionw lat ewolucji

mzg sta¸ si« ãkomputeremÓ niezwykle z¸oýo-

nym, ale teý bardzo wyspecjalizowanym.

Oczywiæcie, zdolnoæ wykonywania operacji

matematycznych nie mia¸a znaczenia dla prze-

trwania. Niemniej, w miar« jak j«zyk zmienia¸

ludzk kultur«, przynajmniej ma¸e fragmenty

naszych mzgw przekszta¸ci¸y si« w pewne-

go rodzaju maszyny uniwersalne. Jedn z istot-

nych cech takich maszyn jest zdolnoæ do reali-

zowania dowolnego zestawu poleceÄ, a dzi«ki

powstaniu j«zyka polecenia takie mog¸y by

przekazywane i wykonywane. Poniewaý jed-

nak postrzegamy liczby jako skomplikowane

kszta¸ty, ktre zapisujemy lub przeprowadza-

my na nich inne operacje, to sposb, w jaki je

przetwarzamy, jest nieprawdopodobnie dziwny

i ma¸o wydajny. Wykorzystujemy setki miliar-

90 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

Mrwki na przyk¸ad potrafi kierowa si« æcieý-

kami zapachowymi, ale trac orientacj«, kiedy

w takim æladzie pojawiaj si« przerwy. my po-

dýaj æladami feromonowymi, a takýe wykorzy-

stuj Ksi«ýyc do zachowania orientacji. Podobnie

wiele dost«pnych dziæ komercyjnie robotw prze-

mieszcza si« wzd¸uý przewodw prowadzcych,

zainstalowanych pod powierzchni, po ktrej si«

poruszaj, a cz«æ z nich zachowuje orientacj«

dzi«ki laserom, za pomoc ktrych odczytuje ko-

dy paskowe umieszczone na æcianach.

Jeæli prawdziwe jest moje za¸oýenie, ýe zwi«k-

szanie mocy obliczeniowej komputerw dopro-

wadzi w koÄcu do moýliwoæci umys¸owych tych

maszyn na poziomie cz¸owieka, moýemy oczeki-

wa, ýe roboty b«d si« zbliýa, a nast«pnie ko-

lejno przekracza moýliwoæci rozmaitych zwie-

rzt i w koÄcu ludzi. Jeæli jednak jest b¸«dne,

pewnego dnia okaýe si«, ýe istniej specyficzne

zdolnoæci zwierz«ce lub ludzkie, ktre wymyka-

j si« implementacji w robotach nawet wtedy, gdy

te maj moc obliczeniow porwnywaln z ca-

¸ym mzgiem. By¸by to wst«p do podj«cia fascy-

nujcego wyzwania naukowego Ð wyizolowania

i zidentyfikowania takiej podstawowej zdolnoæci

mzgu, ktrej brakuje komputerom. Ale nic nie

wskazuje na istnienie takiej luki.

Drugie stwierdzenie, ýe prawo fizyczne pod-

daje si« symulacji komputerowej, jest w coraz

wi«kszym stopniu bezdyskusyjne.* Naukowcy

i inýynierowie juý teraz stworzyli wielk iloæ

uýytecznych symulacji Ð o rýnych poziomach

abstrakcji i rýnych stopniach dok¸adnoæci Ð bar-

dzo wielu zjawisk, poczwszy od zderzeÄ sa-

mochodw, a na si¸ach ãkolorowychÓ, ktre po-

woduj ¸czenie si« kwarkw i gluonw w pro-

tony i neutrony, skoÄczywszy.

Tkanka nerwowa i obliczenia

Jeýeli przyjmiemy, ýe komputery stan si«

w koÄcu wystarczajco pot«ýne, aby symulowa

umys¸, w naturalny sposb pojawia si« pytanie,

jakie tempo przetwarzania danych jest koniecz-

ne do uzyskania wydajnoæci porwnywalnej

z ludzkim mzgiem. Aby wyjaæni to zagadnie-

nie, pomyæla¸em o siatkwce oka kr«gowcw,

ktr poznano tak dobrze, ýe moýe pos¸uýy za

coæ w rodzaju kamienia z Rosetty Ð pozwoli to

na porwnanie wydajnoæci uk¸adu nerwowego

i komputerw. Wierz«, ýe porwnujc szybkoæ,

z jak obwody neuronowe w siatkwce prze-

twarzaj obrazy, z iloæci instrukcji na sekun-

d«, jakiej potrzebuje komputer, aby osign po-

dobny wynik, moýemy w przybliýeniu

oszacowa wydajnoæ tkanki nerwowej w prze-

twarzaniu informacji Ð a dalej, przez ekstrapo-

lacj«, wyznaczy moc obliczeniow ca¸ego ludz-

kiego uk¸adu nerwowego.

Siatkwka jest tkank tworzc b¸on«, ktra

wyæciela wewn«trzn powierzchni« æciany ga¸-

ki ocznej w jej tylnym odcinku. U cz¸owieka ma

gruboæ 0.08-0.5 mm i oko¸o 2 cm ærednicy.

Oprcz komrek receptorowych (wzrokowych),

wraýliwych na bodce æwietlne, znajduj si«

w niej takýe komrki nerwowe. Tworz one

uk¸ady przekszta¸cajce te bodce i wykrywa-

jce na ich podstawie kontrasty graniczne mi«-

Komputerowe mzgi

robotw trzeciej

generacji b«d

wykonywa 5 bln

instrukcji na sekund«

Ð pozwoli im to

dorwna inteligencj

ma¸pie i wystarczy

do wykonywania

rutynowych czynnoæci

domowych.

Robot-takswka rozwozi

pasaýerw po okreælonych

trasach Ð informacji

o po¸oýeniu pojazdu

dostarczaj magnesy

wbudowane w

pokrywajce jezdni«

kostki. Mikrobus

zbudowa¸a firma Frog

(akronim od ãfree

ranging on girdÓ)

z Utrechtu w Holandii.

dzy jasnymi a ciemnymi fragmentami obrazu,

a takýe ruchy. Kaýdy z tych uk¸adw Ð a jest ich

blisko milion Ð przetwarza docierajce do niego

bodce przeci«tnie 10 razy na sekund«. Ma tak-

ýe w¸asne w¸kno w nerwie wzrokowym, kt-

rym przesy¸a wyniki swej pracy do mzgu.

Z wieloletniego doæwiadczenia w pracy nad uk¸a-

dami automatycznego rozpoznawania obrazw

wiem, ýe wykrywanie kontrastw granicznych i ru-

chu za pomoc efektywnego oprogramowania wy-

maga zrealizowania przynajmniej 100 instrukcji

komputerowych. Tak wi«c osigni«cie 10 mln ope-

racji detekcji na sekund«, wykonywanych przez

siatkwk«, wymaga przynajmniej 1000 MIPS.

Ca¸y ludzki mzg ma oko¸o 75 tys. razy wi«k-

sz mas« niý 0.02 g uk¸adu przetwarzania w siat-

kwce, co oznacza, ýe emulacja ludzkiego m-

zgu o masie 1500 g wymaga b«dzie oko¸o 100

mln MIPS (100 bln instrukcji na sekund«). Do-

mowe komputery roku 1999 s lepsze od niekt-

rych owadw, ale przegrywaj z ludzk siatkw-

k, a takýe z mzgiem z¸otej rybki, majcym mas«

0.1 g. Typowy pecet musia¸by by przynajmniej

milion razy sprawniejszy, aby osign wydaj-

noæ zbliýon do ludzkiego mzgu.

Doæwiadczenie w pracy naukowej i w zasto-

sowaniach praktycznych przekonuje mnie, ýe

moýliwoæci umys¸owe ma¸ej rybki Ð oko¸o 1000

MIPS Ð wystarcz, aby w miar« pewnie sterowa

mobilnymi robotami uýytkowymi w nie znanym

im otoczeniu, co uczyni je odpowiednimi do prac

na setkach tysi«cy stanowisk przemys¸owych,

a takýe w setkach milionw domw. Zanim po-

wstan takie urzdzenia, up¸ynie jeszcze z dzie-

si« lat; by¸y one nieosigalne przez tak d¸ugo

i zainteresowanie robotyk spad¸o tak bardzo,

ýe obecnie pracuje w tej dziedzinie jedynie kil-

kanaæcie nieduýych grup badawczych.

Samojezdne roboty przemys¸owe Ð najinteli-

gentniejsze ze zbudowanych do tej pory, cho

ich moýliwoæci rz«du 10 MIPS ledwie pozwala-

j na dorwnanie owadom Ð znalaz¸y niewiele

zastosowaÄ. Zaledwie 10 tys. takich robotw

pracuje na ca¸ym æwiecie i firmy, ktre je pro-

dukuj, walcz o przetrwanie lub juý upad¸y.

(Producentom automatycznych manipulatorw

wiedzie si« niewiele lepiej.) Najwi«ksza grupa

ruchomych robotw przemys¸owych, znanych

jako AGV (Automatic Guided Vehicles Ð pojaz-

dy sterowane automatycznie), s¸uýy do trans-

portu materia¸w w fabrykach i magazynach.

Wi«kszoæ z nich porusza si« wzd¸uý umiesz-

czonych pod powierzchni przewodw, wysy-

¸ajcych sygna¸y Ð wykrywaj koÄce i punkty

kolizyjne za pomoc prze¸cznikw (technik«

t« opracowano w latach szeædziesitych).

Instalacja pod betonow pod¸og przewodw

kierujcych kosztuje setki tysi«cy dolarw i tra-

sy s wtedy sta¸e. To sprawia, ýe stosowanie ta-

kich robotw jest op¸acalne jedynie w przypad-

ku duýych fabryk o wyjtkowo ustabilizowanej

strukturze i produkcji. Roboty, ktrych powsta-

nie moýliwe by¸o dzi«ki upowszechnieniu si«

w latach osiemdziesitych mikroprocesorw,

kieruj si« mniej wyranymi sygna¸ami Ð na

przyk¸ad wzorami, jakie u¸oýone s z p¸ytek na

pod¸odze Ð i wykorzystuj ultradwi«ki oraz

czujniki podczerwieni, aby okreæli w¸aæciwy

sposb obejæcia napotykanych przeszkd.

Najbardziej zaawansowane ruchome roboty

przemys¸owe, powstajce od koÄca lat osiemdzie-

sitych, zachowuj orientacj« dzi«ki specjalnym

znakom Ð na przyk¸ad kodom paskowym odczy-

tywanym za pomoc lasera Ð i trwa¸ym elementom

otoczenia, takim jak æciany, naroýa i drzwi. Kosz-

towne uk¸adanie przewodw kierujcych zast-

piono specjalnie zaprojektowanym oprogramo-

waniem, dostrajanym do kaýdego segmentu trasy

robota. Ma¸e firmy, ktre opracowa¸y roboty, zna-

laz¸y w przemyæle wielu klientw, chccych zauto-

matyzowa transport, czyszczenie pod¸g, kon-

trol« bezpieczeÄstwa i inne rutynowe czynnoæci.

Niestety, wi«kszoæ potencjalnych nabywcw stra-

ci¸a zainteresowanie, kiedy si« zorientowa¸a, ýe

instalacja i zmiany trasy wymagaj czasoch¸onnej

i kosztownej pracy wyspecjalizowanych programi-

stw, ktrych czasami trudno znale. Tak wi«c

udane pod wzgl«dem technicznym roboty ponio-

s¸y kl«sk« na rynku maszyn.

Poraýka ta pokaza¸a jednak, jakie czynniki wa-

runkuj sukces. Po pierwsze, maszyny przezna-

Moýliwoæci umys¸owe a uýytecznoæ

Cho dla ekspertw z dziedziny sztucznej in-

teligencji dane te nie brzmi zach«cajco, to ten

pot«ýny rozziew mi«dzy moýliwoæciami a po-

trzebami nie oznacza, ýe stworzenie sztucznego

mzgu podobnego do ludzkiego jest nieosigal-

ne. Moc obliczeniowa dost«pna za okreælon ce-

n« podwaja¸a si« co rok w latach dziewi«dzie-

sitych (w latach osiemdziesitych podwaja¸a si«

co 18 miesi«cy, a jeszcze wczeæniej co dwa lata).

Przy obecnym tempie potrzeba jedynie 30 lub 40

lat, aby wyrwna t« milionow rýnic«. W isto-

cie sytuacja jest jeszcze lepsza, poniewaý uýytecz-

ne roboty nie musz wykazywa zdolnoæci umy-

s¸owych na miar« cz¸owieka.

92 å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: