211service.com
Robo Svärm
I mars i år vandrade datavetaren Radhika Nagpal från Harvard University och hennes kollegor 16 mil om dagen genom en tropisk ö mitt i Panamakanalen och letade efter armémyror. Insekterna arbetar tillsammans i grupper om tiotals eller till och med hundratusentals för att skydda sin drottning och larver, och använder sina egna kroppar för att skapa och underhålla ett tillfälligt bo. Men det finns ingen ledare bland dem, ingen förman eller chef. Varelserna skapar dessa komplexa strukturer som ett kollektiv.
På morgonen den andra dagen hade Nagpal letat i timmar när Mike Rubenstein, en robotist vid Northwestern University, av misstag trampade på en rutten stock. Hans gummistövel gick rakt igenom skogen. Omedelbart rusade Nagpal över för att se insektssvärmen reparera sitt skadade bo. Hon strålade, minns biologen Simon Garnier från New Jersey Institute of Technology, expeditionens ledande forskare. Ibland önskar jag att mina egna elever var mer så här.
Nagpal var i Panama för att lära av myrorna – eller åtminstone hämta inspiration. Som ledare inom det framväxande området svärmrobotik, eller kollektiv artificiell intelligens, sträcker hon sig över flera områden, inklusive maskinteknik, industriell design och till och med beteendebiologi. Innan hon designade robotar som arbetar tillsammans för att bygga enkla strukturer, reste hon och hennes kollegor till Namibia för att studera termiter på nära håll, och resan till Panama startade ett nytt projekt inspirerat av armémyror. (Antalet ställdon en myra har får en robotiker att vilja gråta, säger hon.) Men hennes labb är mest känt för att bygga en grupp med 1 024 enkla, identiska lågkostnadsmaskiner som hon kallar kilobotar. De knäböjda, cylindriska robotarna utför grundläggande uppgifter i grupp. Det finns ingen ledare bland dem. Det finns ingen mänsklig inblandning heller. De är en sann konstgjord svärm.
En av Nagpals 1 024 kilobotar
De potentiella tillämpningarna för robotkollektiv varierar kraftigt, från robobin för sök- och räddningsarbete till autonoma byggfordon som kan bygga livsmiljöer på månen eller Mars innan bemannade uppdrag. Men dessa futuristiska visioner är inte det som driver Nagpal. På en nivå, ja, det kan leda till ansökningar, men det handlar också om vetenskaplig upptäckt, säger hon. Poängen är att kunna upptäcka ny kunskap, och att inte nödvändigtvis veta hur det kommer att påverka mänskligheten 20 år framåt.
Nagpals forskning har varit med på omslaget till Vetenskap och Natur , och 2014 citerades hon som en av Natur 's 10, en årlig lista över personer som är viktiga inom vetenskapen. Hon är verkligen en briljant vetenskapsman, tillägger Garnier. Men hon tappade aldrig barns nyfikenhet.
Att hitta sin egen väg
Nagpal, 45, växte upp i Indien, som hon beskriver som ett land där intelligens hos flickor var ouppskattad och till och med problematisk. Som en smart tjej under uppväxten gjordes det väldigt tydligt att de hellre hade sett att pojkarna var smarta, minns hon. Flickor skulle lära sig laga mat, inte koda. Och om en tjej utmärkte sig akademiskt var medicin en av de få acceptabla vägarna.
Så Nagpal beslutade att allt som till och med var kopplat till medicin, som biologi, var förbjudet. Hela min strategi var att fly, säger hon. Om det fanns en förutbestämd väg för kvinnor, skulle jag inte gå in på den vägen, bara av rädsla för att bli inlåst i det systemet och aldrig kunna fatta ett nytt beslut på egen hand.
Trots de kulturella normerna tillät Nagpals föräldrar – hennes far är en maskiningenjör som tog sin doktorsexamen vid Georgia Tech – henne att gå på MIT. Som nybörjare drog hon fördel av betygssystemet för godkänd/underkänd för att registrera sig i den inledande datorklassen 6.001. Jag trodde att det skulle bli jobbigt, säger hon, men sedan älskade jag det.
Radhika Nagpal säger att hon och hennes grupp inte längre namnger de mer än 1 000 robotarna i hennes labb.
Som doktorand 1996 läste Nagpal Amorphous Computing, en nyligen publicerad vitbok där hennes rådgivare, Harold Abelson, PhD '73, och Gerald Jay Sussman '68, PhD '73, och andra beskrev en ovanlig riktning för datavetenskap. De fokuserade inte på individuella, kraftfulla datorer utan på programmerbara mängder gjorda av enkla maskiner som, när de arbetade tillsammans, kunde ge komplexa resultat. Även om befintlig teknik inte var redo att stödja visionen, blev konceptet grunden för hennes doktorandstudier.
När hon avancerade, gifte sig och bildade en egen familj, vägrade Nagpal att låta sin karriär slå ut hennes andra passioner: måla, dansa och i allmänhet leva ett fullständigt, balanserat liv. Efter att ha fått en juniorfakultetstjänst vid Harvard 2004, försummade hon akademisk politik, avböjde att delta i labbsessioner hela natten och gjorde det till en policy att inte kolla e-post på helgerna. Dessa beslut, detaljerade i en 2013 Scientific American blogginlägg kallad The Awesomest 7-Year Postdoc eller: How I Learned to Stop Worrying and Love the Tenure-Track Faculty Life, gav genklang inom och utanför akademin. En av hennes kollegor förutspådde att hennes inlägg förmodligen skulle bli hennes mest lästa verk. Ändå lyckades Nagpal fortfarande förtjäna anställning och möjlighet att forma sitt idealiska labb – ett balanserat, mångsidigt kollektiv som är kapabelt till den sortens ledarlösa interaktioner hon studerar i naturen, men ändå öppen för vägledning och instruktioner från en viss välgrundad professor.
Skapar en kilosvärm
Nyligen, nästan två decennier efter att hon hade läst hans vitbok, bjöd Nagpal in Abelson till sitt labb för att se den amorfa datorn göras verklig i form av de 1 024 kilobotarna. Varje robot står på tre gem-tunna metallben och är tillräckligt liten för att gömma sig i dina slutna händer. De rör sig när två små motorer – den sorten som får smartphones att vibrera – aktiveras, vilket får botarna att glida över släta ytor; de kommunicerar med varandra genom att studsa infraröda signaler från golvet. De har inte ens en strömbrytare, eftersom det skulle ha inneburit att man spenderade en timme på att bara slå på dem alla. Istället gjorde forskarna en trollstav som sänder en infraröd signal som instruerar robotarna att slå upp eller ner.
När Nagpal och Rubenstein, hennes dåvarande postdoc och hennes främsta medarbetare i projektet, gav sig i kast med att bygga sin kilobotsvärm var fältet så ungt att det största kollektivet som hennes grupp hade konstruerat var tre maskiner. Ingen hade tusen robotar, minns hon. Hundra ansågs vara ett väldigt, väldigt stort antal. Att komma till tusen verkade som en omöjlig uppgift, men samtidigt kände du att om du gjorde det, då skulle du lära dig något som du omöjligt kunde ha lärt dig på något annat sätt.
En av de första lärdomarna var att även om vissa algoritmer fungerade utmärkt med massor av robotar, avslöjade användningen av dessa program med ett mycket större antal brister. Även om de designades för att vara exakt likadana, är vissa av robotarna något snabbare eller långsammare, och när Nagpal och gruppen körde ett självmonteringsprogram, under vilket svärmen var tänkt att förvandla sig själv från en amorf klump till en given form till exempel en skiftnyckel eller en sjöstjärna, en enda släpande bot var ett stort problem. Varje långsam robot eller varje misskötande robot var en trafikstockning och kunde få ner hela systemet, säger hon. Ändå skapade dessa extremvärden inte sådana problem i mindre kollektiv med mindre än 100 robotar.
I allmänhet lärde Nagpal att både variation – långsamma och snabba robotar, till exempel – och sällsynta fel, som en kilobot som helt enkelt slutade fungera, var naturliga egenskaper hos ett stort system. När du körde tusen robotar i flera timmar, skulle vissa gå i olika hastigheter, och andra skulle gå sönder. Detta var ingen stor överraskning; hon hade sett den naturliga motsvarigheten i Namibia och på andra håll. Enskilda insekter betedde sig ofta annorlunda och marscherade kort i fel riktning, men ändå fungerade kollektivet. Så istället för att försöka bygga perfekta maskiner eller redigera algoritmerna, bestämde hon sig för att utveckla en andra uppsättning algoritmer som korrigerar fel och variationer. Nu, om en kilobot inte fungerar, kommer dess grannar att beordra den att antingen starta om eller, om det misslyckas, förklara sig själv död. Den senare strategin är svärmens motsvarighet till att slå på dina faror på motorvägen och säga åt alla att köra runt dig. Det fungerar: bland andra uppgifter kan kilobotarna programmeras att själva montera ihop till specifika former utan något ingripande från forskarna. I ett separat försök byggde Nagpal och hennes kollegor ett litet kollektiv av mer komplexa robotar som samarbetade för att bygga grundläggande strukturer. Detta var projektet som utlöste resan till Namibia. Forskarna hade planerat att låta sina robotar bygga med solida, geometriska skumtegelstenar tills de såg termiter i Namibia bygga med böjbar, följsam lera. När de kom tillbaka till labbet bestämde de sig för att bygga ytterligare robotar som skulle flytta sandsäcksliknande material och amorft skum. Men resan hade också ett motiverande syfte. Den andra påverkan var bara att bli förvånad och ny energi över hur effektiv kollektiv intelligens kan vara, säger hon.
Nagpal hoppas att den panamanska expeditionen kommer att ha samma effekt på hennes nästa projekt - en sorts hybrid av kilobotarna och konstruktionsrobotarna. Hennes plan är att designa robotar som beter sig som armémyror och använder sina egna kroppar som grundmaterial. Målet är svårt, och Nagpal erkänner uppgiftens storslagna karaktär. Ändå har hon gjort det till en regel att nå förbi det rimliga. Våra drömmar är ofta bortom gränserna för vad som är möjligt, säger hon. Men det är också sant att halvvägs till drömmarna fortfarande är ganska cool.