Робототехника, как индустрия, еще не достигла вершины своего потенциала, но сами роботы уже готовы к тому, чтобы использовать облачные технологии. Ниже я расскажу, каким образом новое поколение роботов сможет использовать беспроводную сеть, Большие Данные, автоматическое обучение, открытый доступ и Интернет Вещей для того, чтобы улучшить качество выполнения различных задач — от вождения автомобилей и ведения домашнего хозяйства до выполнения хирургических операций.

Корни тренда на роботизацию уходят в ранние 90-е, в те времена, когда всемирная сеть была впервые представлена широкой аудитории. Я был молодым профессором в Университете Южной Калифорнии и вел студентов-выпускников в исследовательских лабораторных работах в области робототехники. Однажды студенты пришли ко мне в офис для обсуждений, а затем произошло нечто, сразившее меня наповал. На моем компьютере был запущен Mosaic — самый первый из браузеров. Мы прошлись по нескольким существовавшим в то время сайтам, включая и тот, где показывалось изображение, передаваемое при помощи камеры, направленной на кофейник в комнате отдыха студентов. Камера была настроена студентами Кембриджского Университета для того, чтобы проверять наличие свежего кофе. Подобную ситуацию вполне можно назвать «пагубное влияние кофеина».

Той ночью мы со студентами остались в лаборатории допоздна, используя коллективный разум, чтобы придумать новые пути развития идеи, начавшейся с кофейника. Мы задались вопросом о том, могли бы мы использовать сеть так, чтобы удаленные посетители активно передвигали предметы и меняли обстановку в лаборатории при помощи нашего робота вместо того, чтобы просто пассивно наблюдать за объектом посредством видеокамеры?

Могли бы мы попробовать что-то более сложное и необычное, например, создать настоящий садовый участок вместо того, чтобы заставлять робота выполнять какие-нибудь неинтересные задания, такие, как складывать кирпичи в стопочку? Мы взяли «руку» индустриального робота и встроили в нее цифровую камеру, систему ирригации и пневматическую насадку для забора семян и установили ее в центре круглой алюминиевой емкости с диаметром в три метра, которую наполнили полуметровым слоем почвы и несколькими растениями для начала. Создали графический интерфейс, доступный любому желающему для обозрения, полива и посадки семян при помощи нашего робота.

Проект Телесад (The Telegarden) был запущен в сеть летом 1995 года. Слухи о нем быстро распространились, и уже через несколько недель наш сад посещали тысячи пользователей сети Интернет, многие из которых регулярно заходили на сайт, чтобы полить свои собственные растения. В рамках проекта был открыт чат, где посетители публиковали объявления, в которых зачастую говорилось о том, что они уезжают на каникулы и просят присмотреть за своим цветком. В нашем саду стали прорастать тысячи семян, и в скором времени он уже был «перенаселен». Таким образом, эксперимент превратился в поле для изучения Трагедии общин.

Эксперимент немало удивил и нас самих — ведь прежде всего мы беспокоились о том, что садоводство станет последним делом, которым люди начнут заниматься в сетевом пространстве (я говорю о событиях, имевших место за десять лет до появления Farmville). Год спустя мы были приглашены для установки Телесада в музее в Австрии, где проект продолжал свое онлайн-существование 24 часа в сутки в течение последующих 9 лет.

К сведению, это был робот, которым управляло самое большое количество людей за всю историю существования роботов.

Телесад был самым первым интерактивным устройством в сети, издательство «MIT Press» опубликовало две книги, посвященные нашему эксперименту, а в скором времени пространство Интернет пополнилось новыми многочисленными устройствами и системами.

С тех пор область робототехники прошла значительный путь развития. На сегодняшний день существуют сотни исследовательских лабораторий и более дюжины журналов, посвященных этой тематике. Существует более 5 миллионов сервисных роботов, таких, как пылесос Румба, присутствующий во многих домах и офисах, и более 3000 роботов, ассистирующих хирургам в операционных комнатах по всему миру. Цифровые камеры также стали гораздо более совершенными, то же можно сказать и о внутренних сенсорах движения и о других сенсорных устройствах. Когда Microsoft представил камеру Kinect 3D, предназначенную для компьютерных игр, это стало знаковым событием в области робототехники, а заодно и новым недорогим способом получать трехмерные облака, помогающие роботам в навигации и манипуляциях. В 2012 году президент Обама объявил о Государственной Национальной Инициативе по Развитию Робототехники (U. S. National Robotics Initiative); на исследования в области было выделено более 70 миллионов долларов.

Но роботы все еще не складывают наше белье в стопочки и не загружают тарелки в посудомоечную машинку. Эти простые повседневные обязанности чрезвычайно трудны для роботов. Основная проблема заключается в неопределенности. Поставьте себя на место робота: все вокруг неясно, нестабильно, неспокойно, изображение передается в низком разрешении. Вы не можете сказать наверняка, что за вещи вас окружают, где они расположены и каким образом они перемещаются в пространстве. Вы не можете полностью контролировать собственные руки. Это чувство подобно тому, как если бы вам пришлось носить огромные кухонные рукавицы и защитные очки, обильно смазанные вазелином. Надеюсь, теперь вы способны проявить сочувствие по отношению к роботам.

Я считаю, что облачные технологии будут ключом к развитию нового поколения роботов. Возьмем, к примеру, автомобильный робот Google. Этот автомобиль использует сеть для доступа к огромной базе данных Google, где находятся карты, спутниковые снимки и изображения дорог. Он комбинирует их с актуальной информацией, получаемой посредством GPS, камер и трехмерных сенсоров для того, чтобы определить собственное расположение вплоть до сантиметра, а также недавнюю и текущую ситуации на дороге и, таким образом, избежать столкновений с другими автомобилями. Благодаря этому Google получает огромное преимущество перед автомобильными компаниями, такими, как Toyota или GM.

Так почему же компания Google заинтересована в роботах? Потому, что Google понимает суть Интернета.

Кстати, мне очень нравится высказывание Бреда Темплтона: «Робот станет действительно автономным только в том случае, когда он решит пойти на пляж, несмотря на то, что Вы поручили ему пойти на работу».

Хотя роботы и существуют в Интернет-среде уже 20 лет, Джеймс Каффнер, великолепный исследователь Google, придумал термин «Облачная Робототехника» только в 2010 году. Облако — это не просто один из новых терминов в среде Интернет. Это парадигма, дающая множество новых способов использовать сетевое пространство. Вспомним, хотя бы, Google Docs. Любой пользователь может отправить документы в формате Microsoft Word через Интернет, но Google Docs имеет свои отличия: сам документ и программное обеспечение находятся вне наших компьютеров. Вся информация хранится в Облаке при помощи удаленных серверных ферм с общей памятью и процессорами. Это очень удобно, так как у пользователей отпадает необходимость волноваться о возможных сбоях в работе диска, равно как и о поддержке и своевременных обновлениях программного или технического обеспечения. Помимо этого Облако обеспечивает экономию за счет масштаба и облегчает обмен информацией между приложениями и пользователями (и, конечно же, является причиной для обеспокоенности за сохранность персональных данных и безопасность информации).

Я хотел бы привести свое собственное видение пяти элементов Облачной Робототехники

1. Первый элемент включает в себя память.

Фильм в стиле «инди», выпущенный в 2012 году под названием Робот и Френк (Robot & Frank) является шедевром, предлагающим уникальный, и, как мне кажется, вполне реалистичный взгляд на будущее (так же, как и фильм 2013 года «Она» Спайка Джонса). Главный киногерой с возрастом становится забывчивым, и тогда его дети присылают робота, который должен помогать герою фильма, выполняя работу по дому. Робот делает уборку, напоминает о здоровом питании и о поливе сада. Когда я посмотрел этот фильм, то подумал, что, возможно когда-то и я захочу иметь такого же робота. Он напоминал бы мне о необходимости употреблять в пищу зелень, принимать лекарства и делать приседания. Одновременно с этим он стал бы моим компаньоном и обсуждал бы со мной события из моего прошлого. Возможно, он даже умел бы шутить, исходя из ситуации, и оповещать меня о происходящем вокруг. Но подобные домашние роботы на сегодняшний момент еще не созданы. Одной из причин здесь является наличие тысяч различных объектов в стандартном человеческом жилище.

Рассмотрим изобретение робота, предназначенного для уборки в доме. Такой робот стал бы весьма полезным для семей, где есть маленькие дети. А людям преклонного возраста он был бы просто необходим. Когда пожилой человек роняет на пол предмет, он может этого и вовсе не заметить по причине плохого зрения. Даже если он и обратит внимание на упавшую вещь, ему могут потребоваться определенные усилия для того, чтобы ее поднять. А если при этом он поскользнётся и упадет, то последствия падения могут быть просто катастрофическими. Например, если такой инцидент обернется переломом бедра, то человек в возрасте может остаться прикованным к постели, что приведет к потере подвижности и депрессии. Упавшие на пол вещи могут стать причиной фатальных событий в жизни человека, достигшего определенного возраста.

Представьте себе робота, умеющего бесшумно выполнять свою работу, например, собирать разбросанные на полу вещи и раскладывать их по местам в то время, пока вы спите. Но именно здесь и кроется основная проблема. Несмотря на то, насколько хорошо запрограммирован робот, несмотря на любое количество объектов, хранимых в его памяти, всегда найдется предмет, который будет роботу незнаком. Например, новый пульт управления, купленный для большего удобства. Найдя его лежащим на полу, робот может не понять, что с ним делать дальше. Что это — шоколадный батончик? Куда его положить — на рабочий стол? Или в холодильник? Или в помойное ведро?

К счастью, любой функционирующий в доме робот будет подключен к беспроводной сети. Таким образом, он получит возможность доступа к обширной базе в Интернете, хранящей информацию практически о любом вообразимом объекте. Это огромное количество всевозможных данных, и оно непрерывно растет. Проблема в том, что хранение всей этой информации в памяти домашнего робота не представляется реальным. Но облачные технологии позволяют получить нужную информацию по требованию. Первый элемент Облачной Робототехники — Большие Данные.

2. Второй элемент Облачной Робототехники относится к ограничениям во встроенном процессинге.

В лучшем случае робот может обладать несколькими компьютерами, но существует множество проблем, для решения которых требуется большее количество техники, чем то, которое доступно одному роботу.

Роботы начинают использовать статистический подход, известный под названием Пространство Убеждений (Belief Space).

Одной из практикуемых методик является моделирование окружающей среды, сенсоров и действий при использовании вероятностного распределения. Математический термин, обозначающий этот метод, называется Пространство Убеждений. Я знаю, это словосочетание звучит, как нечто из области сверхъестественного или научной фантастики. Но это сокращенное название градиентной методики Маркова для оценивания процессов для принятия решений (Partially Observed Markov Decision Processes (POMDPs). Методика подразумевает поиск оптимального действия в рамках текущего контекста, а для этого необходим расчет нескольких вариаций событий. Эта задача, как правило, довольно быстро становится неосуществимой, поскольку вариативность событий становится все более усложненной, многообразной и непараметрической.

Для поиска решений требуется огромное количество компьютерной мощи. Пространство Убеждений до недавнего времени считалось достаточно сложным для оперирования явлением. Сегодняшняя ситуация видится совсем иной благодаря новым возможностям доступа к кластерам компьютеров по требованию посредством облачных технологий. Новые компьютерные возможности способствуют статистической оптимизации, самообучению устройств и планированию физических действий в высоком разрешении одновременным множеством движущихся роботов. Второй элемент Облачной Робототехники — облачная обработка данных.

3. Третий элемент Облачной Робототехники основан на том, что люди все в большей степени взаимодействуют и обмениваются информацией посредством сети (Роботы с головами).

Вот вам пример. Я родился в Нигерии, и несколько лет назад мне довелось побывать на своей родине. Я был удивлен, когда узнал, что робототехника представляет собой область огромного интереса среди студентов. В Африке, как и везде на планете, дети воспринимают робота, как необычное физическое воплощение, как нечто, поддающееся идентификации, и это вызывает их интерес. Роботы — это своеобразный наркотик, открывающий ворота в новый мир. Благодаря роботам студенты начинают интересоваться точными науками, технологиями, инженерией и математикой (STEM). Я встречался со студентами из разных областей Ганы, все они интересовались робототехникой, но во множестве случаев они и не подозревали о существовании единомышленников.

Роботы — это своеобразный ключ к новым мирам, благодаря им студенты начинают интересоваться точными науками, технологиями, инженерией и математикой.

В Университете Ашеси я встретил замечательного профессора по имени Айоркор Корсех (Ayorkor Korseh). Вместе с ним мы решили организовать сетевой ресурс, посвященный африканской робототехнике (African Robotics Network). Наша идея заключалась в том, чтобы объединить все заинтересованные в робототехнике группы людей не только в Гане, но и по всей Африке, дав им возможность учиться друг у друга, создавать новые инструменты и генерировать новые идеи.

Обучающие роботы, ставшие довольно интересным событием, все еще относительно дорого стоят, поэтому мы решили сделать такого робота, который был бы доступным для всех. Мы создали специальный сайт и объявили о всемирном соревновании по дизайну. Установленный лимит стоимости робота был в пределах 10 долларов США. Мы понимали, что все это выглядит достаточно нелепо, но таков был способ заставить людей думать. Четыре месяца спустя на наше рассмотрение было представлено 28 работ. Многие из них содержали элегантные дизайнерские идеи, но победитель проекта сразил нас наповал.

Это был робот, сделанный из джойстика Sony Playstation. Дизайнер по имени Том Тиллей модифицировал устройство, доступное в продаже по цене 3 или 4 долларов. В устройство встроены три мотора, создающие вибрацию в процессе игры. Автор проекта прикрепил к ним колеса. Таким образом, тело устройства управления стало телом мобильного робота. Далее на нем были установлены световые индикаторы, но идея заключалась в том, чтобы робот мог самостоятельно идентифицировать столкновения с препятствиями.

В качестве переключателей автор задумал использовать рычаги управления, расположенные на крышке устройства. В процессе воплощения задуманного оказалось, что переключатели не работают без рычажного усиления, а поэтому дизайнеру необходимо было уравновесить рычаги. Он поразмышлял над тем, какое решение могло бы стать наиболее экономичным, и в результате нашел замечательный выход из положения — обычные леденцы.

Какой ребенок устоит перед настоящим роботом, да еще и с двумя леденцами на крышке?

Робот получил имя «Лоллибот» («Lollibot»). На нашем ресурсе вы сможете найти подробные инструкции по его созданию. Общая стоимость всех запчастей выходит в среднем, в размере 8 долларов 96 центов (включая леденцы)!

Еще одно познавательное занятие — РОС, Робототехническая Операционная Система (ROS, the Robot Operating System). Это открытая библиотека программного обеспечения, которая оказала серьезное влияние на развитие робототехники. По сути, это Linux для роботов. Любой пользователь, пришедший с новым алгоритмом, может мгновенно загрузить его в систему и сделать доступным для других исследователей из разных точек мира. Третий элемент Облачной Робототехники — открытые ресурсы, открытый доступ к человеческой изобретательности, к кодам, данным и дизайнерским идеям.

4. Четвертый элемент Облачной Робототехники основан на прямом взаимодействии между роботами.

В качестве примера возьмем систему «Amazon», которая должна быстро выполнять тысячи заказов на книги и другие товары, упаковывать в коробки заказы, состоящие из предметов, находящихся в самых разных зонах огромных складских помещений. Компания под названием Kiva Systems создала новый вид роботов, способных решить эту задачу. Роботы передвигаются между складскими полками, на которых находятся коробки с товарами. На складе могут быть сотни и тысячи различных наименований, и тем не менее, роботы справляются с задачей при непременно возрастающей эффективности, что не может не вызывать изумления. Вся эта выстроенная система работает потому, что складские роботы умеют общаться между собой. Роботы непрерывно взаимодействуют. Они совместно координируют траектории передвижения, и если возникает непредвиденная ситуация, например, один из роботов обнаруживает пятно из машинного масла на полу, все роботы получают соответствующее предупреждение и меняют свои траектории, если это необходимо. Четвертый элемент Облачной Робототехники — взаимное обучение роботов, коллективный обмен данными и кодами, направленный на повышение общей эффективности.

5. Пятый элемент облачной робототехники включает в себя работу с погрешностями, ситуации, в которых робот не может самостоятельно принять решение относительно последующих действий.

Если вы работаете в сфере робототехники, то вы понимаете, что ситуации, когда робот не знает, что ему делать, возникают с определенной регулярностью.

Если робот не способен принять решение самостоятельно, он может обратиться за помощью к человеку. 

Облачные технологии предоставляют доступ к центрам поддержки, сотрудники которых могут провести диагностику информации и видеоматериалов, полученных от робота, и предложить шаги по решению проблемы в случае, если устройство не способно выработать собственную методику. Я думаю, подобная ситуация обратно противоположна тому, что мы имеем сегодня, когда обращаемся в техническую поддержку и получаем помощь от робота. Одним из ключевых условий эффективности системы является способность робота проводить мониторинг собственного уровня уверенности в правильной последовательности действий. Именно так робот распознает ситуацию, в которой возникает ряд неопределенностей и требуется помощь извне. Таким образом, пятым элементом Облачной Робототехники будет запрос о сторонней помощи.

До сегодняшнего момента роботы считались самостоятельными системами с ограниченными вычислительными возможностями и лимитированным объемом памяти. Облачная Робототехника предлагает захватывающую альтернативу, согласно которой роботы будут обладать возможностью доступа и обмена данными и кодами посредством беспроводной сети.

Пять элементов Облачной Робототехники:

1. Большие Данные: индексирование всемирной библиотеки изображений, карт и информации об объектах

2. Облачная обработка информации: обработка сеточных данных по требованию для статистических знаний и планирования механических действий

3. Открытый доступ: информационные ресурсы для общего пользования, содержащие коды, данные, алгоритмы и дизайнерские идеи

4. Коллективное автоматическое обучение: взаимообмен информацией о траекториях, способах контроля и результатах при возможности последующего анализа и применения методов статистического автоматического обучения

5. Запрос помощи извне и центры технической поддержки: внесетевая и предоставляемая по требованию пользовательская поддержка относительно расчетов, обучения и исправления погрешностей.

Облачная Робототехника будет основана на различных подходах, включая Интернет Вещей, «IBM’s Smarter Planet,» воплощение идеи «Индустриальный Интернет» компанией General Electrics и концепцию Siemens, именуемую «Индустрия 4.0» (Siemens’ concept of «Industry 4.0»). Каждый из этих подходов обладает немалым потенциалом, но, одновременно с этим, все они открывают «ящик Пандоры» со множеством проблем, имеющих отношение к области безопасности и сохранности персональных данных. Однако если головы роботов находятся в облаках, пределом может быть только небо.

Код статии F