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2020-12-01La creatividad asistida por ordenador en el diseño de robots

MIT |El nuevo sistema de los investigadores del MIT optimiza la forma de los robots para atravesar varios tipos de terreno.

Entonces, necesitas un robot que suba las escaleras. ¿Qué forma debería tener ese robot? ¿Debería tener dos piernas, como una persona? ¿O seis, como una hormiga?

Elegir la forma correcta será vital para que tu robot pueda atravesar un terreno en particular. Y es imposible construir y probar todas las formas potenciales. Pero ahora un sistema desarrollado por el MIT permite simularlas y determinar qué diseño funciona mejor.

Comienzas diciendo al sistema, llamado RoboGrammar, qué partes del robot están en tu taller: ruedas, juntas, etc. También le dices qué terreno necesitará tu robot para navegar. Y RoboGrammar hace el resto, generando una estructura optimizada y un programa de control para su robot.

El avance podría inyectar una dosis de creatividad asistida por ordenador en el campo. "El diseño de robots sigue siendo un proceso muy manual", dice Allan Zhao, el autor principal del artículo y estudiante de doctorado en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL). Describe RoboGrammar como "una forma de crear nuevos y más inventivos diseños de robots que podrían ser potencialmente más efectivos".

Zhao es el autor principal del artículo, que presentará en la conferencia SIGGRAPH Asia de este mes. Los co-autores incluyen al estudiante de doctorado Jie Xu, la postdoctora Mina Konaković-Luković, la postdoctora Josephine Hughes, el estudiante de doctorado Andrew Spielberg, y los profesores Daniela Rus y Wojciech Matusik, todos del MIT.

Reglas básicas

Los robots están construidos para una variedad casi ilimitada de tareas, pero "todos tienden a ser muy similares en su forma y diseño general", dice Zhao. Por ejemplo, "cuando se piensa en construir un robot que necesita cruzar varios terrenos, inmediatamente se salta a un cuadrúpedo", añade, refiriéndose a un animal de cuatro patas como un perro. "Nos preguntábamos si ese es realmente el diseño óptimo".

El equipo de Zhao especuló que un diseño más innovador podría mejorar la funcionalidad. Así que construyeron un modelo de ordenador para la tarea - un sistema que no fue indebidamente influenciado por la convención anterior. Y mientras que la inventiva era el objetivo, Zhao tuvo que establecer algunas reglas básicas.

El universo de posibles formas de robot está "principalmente compuesto de diseños sin sentido", Zhao escribe en el periódico. "Si puedes conectar las partes de manera arbitraria, terminas con un desorden", dice. Para evitar eso, su equipo desarrolló una "gramática de gráficos" - un conjunto de restricciones en la disposición de los componentes de un robot. Por ejemplo, los segmentos de pata adyacentes deben ser conectados con una articulación, no con otro segmento de pata. Tales reglas aseguran que cada diseño generado por computadora funcione, al menos a un nivel rudimentario.

Zhao dice que las reglas de su gramática gráfica no se inspiraron en otros robots sino en animales - artrópodos en particular. Estos invertebrados incluyen insectos, arañas y langostas. Como grupo, los artrópodos son una historia de éxito de la evolución, ya que representan más del 80 por ciento de las especies animales conocidas. "Se caracterizan por tener un cuerpo central con un número variable de segmentos. Algunos segmentos pueden tener patas", dice Zhao. "Y nos dimos cuenta de que eso es suficiente para describir no sólo los artrópodos sino también formas más familiares", incluyendo los cuadrúpedos. Zhao adoptó las reglas inspiradas en los artrópodos gracias en parte a esta flexibilidad, aunque añadió algunas florituras mecánicas. Por ejemplo, permitió que la computadora conjurara ruedas en lugar de piernas.



Una falange de robots

Usando la gramática de gráficos de Zhao, RoboGrammar opera en tres pasos secuenciales: definir el problema, elaborar posibles soluciones robóticas, y luego seleccionar las óptimas. La definición del problema recae en gran medida en el usuario humano, que introduce el conjunto de componentes robóticos disponibles, como motores, patas y segmentos de conexión. "Esa es la clave para asegurarse de que los robots finales pueden ser realmente construidos en el mundo real", dice Zhao. El usuario también especifica la variedad de terreno a ser atravesado, que puede incluir combinaciones de elementos como escalones, áreas planas o superficies resbaladizas.

Con estos datos, RoboGrammar utiliza las reglas de la gramática de los gráficos para diseñar cientos de miles de potenciales estructuras robóticas. Algunas se parecen vagamente a un coche de carreras. Otras parecen una araña, o una persona haciendo flexiones. "Fue bastante inspirador para nosotros ver la variedad de diseños", dice Zhao. "Definitivamente muestra la expresividad de la gramática." Pero mientras que la gramática puede producir cantidad, sus diseños no siempre son de óptima calidad.

Elegir el mejor diseño de robot requiere controlar los movimientos de cada robot y evaluar su función. "Hasta ahora, estos robots son sólo estructuras", dice Zhao. El controlador es el conjunto de instrucciones que da vida a esas estructuras, gobernando la secuencia de movimientos de los diversos motores del robot. El equipo desarrolló un controlador para cada robot con un algoritmo llamado Control Predictivo del Modelo, que prioriza el movimiento de avance rápido.

"La forma y el controlador del robot están profundamente entrelazados", dice Zhao, "por lo que tenemos que optimizar un controlador para cada robot individualmente". Una vez que cada robot simulado es libre de moverse, los investigadores buscan robots de alto rendimiento con una "búsqueda heurística gráfica". Este algoritmo de red neural muestrea y evalúa iterativamente conjuntos de robots, y aprende qué diseños tienden a funcionar mejor para una tarea determinada. "La función heurística mejora con el tiempo", dice Zhao, "y la búsqueda converge en el robot óptimo".

Todo esto sucede antes de que el diseñador humano tome un tornillo.

"Este trabajo es la coronación de una búsqueda de 25 años para diseñar automáticamente la morfología y el control de los robots", dice Hod Lipson, ingeniero mecánico e informático de la Universidad de Columbia, que no participó en el proyecto. "La idea de usar gramáticas de formas ha existido desde hace tiempo, pero en ningún lugar se ha ejecutado esta idea tan bellamente como en este trabajo. Una vez que podamos hacer que las máquinas diseñen, hagan y programen robots automáticamente, todas las apuestas están cerradas."

Zhao pretende que el sistema sea una chispa para la creatividad humana. Describe RoboGrammar como una "herramienta para que los diseñadores de robots amplíen el espacio de las estructuras robóticas que utilizan". Para mostrar su viabilidad, su equipo planea construir y probar algunos de los robots óptimos de RoboGrammar en el mundo real. Zhao añade que el sistema podría ser adaptado para perseguir objetivos robóticos más allá de la travesía del terreno. Y dice que RoboGrammar podría ayudar a poblar los mundos virtuales. "Digamos que en un videojuego quieres generar muchos tipos de robots, sin que un artista tenga que crear cada uno de ellos", dice Zhao. "RoboGrammar trabajaría para eso casi inmediatamente."

¿Un resultado sorprendente del proyecto? "La mayoría de los diseños terminaron siendo de cuatro patas al final", dice Zhao. Quizás los diseñadores de robots manuales tenían razón al gravitar hacia los cuadrúpedos todo el tiempo. "Tal vez realmente hay algo en ello."


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