Projektimi i “Trurit” për Robotët

Një sistem i ri krijon arkitektura hardware për të shpejtuar kohën e reagimit të robotëve.

Robotët bashkëkohorë mund të lëvizin shpejt. “Motorët janë të shpejtë dhe janë të fuqishëm”, thotë Sabrina Neuman.

Megjithatë, në situata komplekse, si ndërveprimet me njerëzit, robotët shpesh nuk lëvizin shpejt.

Përceptimi i stimujve dhe llogaritja e një përgjigje kërkon një “ngarkesë llogaritëse”, e cila kufizon kohën e reagimit, thotë Neuman, i cili kohët e fundit u diplomua me një doktoraturë në Laboratorin e Shkencave Kompjuterike dhe të Inteligjencës Artificiale MIT (CSAIL). Neuman ka gjetur një mënyrë për të luftuar këtë mospërputhje midis “mendjes” së një roboti dhe trupit. Metoda, e quajtur llogaritja robomorfike, përdor paraqitjen fizike të një roboti dhe aplikacionet e synuara për të gjeneruar një çip kompjuteri të personalizuar që minimizon kohën e përgjigjes së robotit.

Përparësia mund të ushqejë një larmi aplikimesh robotike, duke përfshirë, potencialisht, kujdesin mjekësor në vijën e parë të pacientëve ngjitës. “Do të ishte fantastike nëse do të kishim robotë që mund të ndihmonin në uljen e rrezikut për pacientët dhe punonjësit e spitalit”, thotë Neuman.

Neuman do të paraqesë kërkimin në Konferencën Ndërkombëtare të këtij Prilli mbi Mbështetjen Arkitektonike për Gjuhët e Programimit dhe Sistemet Operative. Bashkë-autorët e MIT përfshijnë studentin e diplomuar Thomas Bourgeat dhe Srini Devadas, profesorin e Edvin Sibley Webster të Inxhinierisë Elektrike dhe këshilltarin e PhD të Neuman. Bashkë-autorë të tjerë përfshijnë Brian Plancher, Thierry Tambe dhe Vijay Janapa Reddi, të gjithë të Universitetit të Harvardit. Neuman është tani një bashkëpunëtor inovacioni postdoktoral NSF Computing në Shkollën e Inxhinierisë dhe Shkencave të Zbatuara të Harvardit.

Ekzistojnë tre hapa kryesorë në funksionimin e një roboti, sipas Neuman. E para është perceptimi, i cili përfshin mbledhjen e të dhënave duke përdorur sensorë ose kamera. E dyta është hartëzimi dhe lokalizimi: “Bazuar në atë që kanë parë, ata duhet të ndërtojnë një hartë të botës përreth tyre dhe më pas të lokalizohen brenda kësaj harte”, thotë Neuman. Hapi i tretë është planifikimi dhe kontrolli i lëvizjes – me fjalë të tjera, komplotimi i një kursi veprimi.

Këto hapa mund të kërkojnë kohë dhe një fuqi të tmerrshme informatike. “Që robotët të vendosen në terren dhe të veprojnë në mënyrë të sigurt në mjedise dinamike përreth njerëzve, ata duhet të jenë në gjendje të mendojnë dhe të reagojnë shumë shpejt”, thotë Plancher. “Algoritmet aktuale nuk mund të ekzekutohen në hardware-in aktual të CPU-së mjaft shpejt.”

Neuman shton se studiuesit kanë hetuar algoritme më të mira, por ajo mendon se vetëm përmirësimet e softuerit nuk janë përgjigjja. “Ajo që është relativisht e re është ideja që ju gjithashtu mund të eksploroni pajisje më të mira”. Kjo do të thotë të lëvizësh përtej një çipi të përpunimit të procesorit me çështje standarde që përfshin trurin e një roboti – me ndihmën e përshpejtimit të pajisjes.

Përshpejtimi i hardware-it i referohet përdorimit të një njësie të specializuar hardware për të kryer detyra të caktuara kompjuterike në mënyrë më efikase. Një përshpejtues i hardware-it i përdorur zakonisht është njësia e përpunimit grafik (GPU), një çip i specializuar për përpunimin paralel. Këto pajisje janë të dobishme për grafikë, sepse struktura e tyre paralele i lejon ata të përpunojnë njëkohësisht mijëra pixel. “Një GPU nuk është më e mira në gjithçka, por është më e mira në atë për të cilën është ndërtuar”, thotë Neuman. “Ju merrni performancë më të lartë për një aplikacion të veçantë.” Shumica e robotëve janë të dizenjuar me një grup aplikacionesh të synuara dhe për këtë arsye mund të përfitojnë nga përshpejtimi i pajisjeve. Kjo është arsyeja pse ekipi i Neuman zhvilloi llogaritjen robomorfike.

Sistemi krijon një dizajn të personalizuar të hardware-it për t’i shërbyer sa më mirë nevojave kompjuterike të një roboti të veçantë. Përdoruesi fut parametrat e një roboti, si paraqitjen e gjymtyrëve dhe mënyrën se si mund të lëvizin nyjet e tij të ndryshme. Sistemi i Neuman i përkthen këto veti fizike në matrica matematikore. Këto matrica janë “të rralla”, që do të thotë se ato përmbajnë shumë vlera zero që përafërsisht korrespondojnë me lëvizjet që janë të pamundura duke pasur parasysh anatominë e veçantë të një roboti. (Në mënyrë të ngjashme, lëvizjet e krahut tuaj janë të kufizuara sepse mund të përkulen vetëm në nyje të caktuara – nuk është një petë spageti pafundësisht e lakueshme.)

Sistemi më pas harton një arkitekturë hardware të specializuar për të ekzekutuar llogaritjet vetëm në vlerat jo-zero në matrica. Dizajni i çipit që rezulton është përshtatur për të maksimizuar efikasitetin për nevojat kompjuterike të robotit. Dhe ai personalizim u pagua gjatë testimit.

Arkitektura e hardware e dizajnuar duke përdorur këtë metodë për një aplikacion të veçantë ka dalë më mirë se njësitë CPU dhe GPU jashtë raftit. Ndërsa ekipi i Neuman nuk fabrikoi një çip të specializuar nga e para, ata programuan një çip të personalizueshëm në fushë të programueshëm (FPGA) në përputhje me sugjerimet e sistemit të tyre. Pavarësisht se funksionon me një shpejtësi më të ngadaltë të orës, ai çip ka performuar tetë herë më shpejt se CPU-ja dhe 86 herë më shpejt se GPU-ja.

“Unë isha i entuziazmuar me ato rezultate”, thotë Neuman. “Edhe pse na pengonte shpejtësia e ulët e orës, ne e kompensuam atë duke qenë vetëm më efikasë.”

Plancher sheh potencial të gjerë për llogaritjen robomorfike. “Idealisht ne përfundimisht mund të krijojmë një çip të planifikuar të lëvizjes për çdo robot, duke i lejuar ata të llogaritin shpejt lëvizje të sigurta dhe efikase”, thotë ai. “Unë nuk do të çuditesha nëse 20 vjet nga tani çdo robot do të kishte një grusht patate të skuqura kompjuterike që e furnizojnë atë, dhe ky mund të jetë njëri prej tyre.” Neuman shton se llogaritja robomorfike mund të lejojë robotët të lehtësojnë njerëzit nga rreziku në një sërë mjedisesh, të tilla si kujdesi për pacientët covid-19 ose manipulimi i objekteve të rënda.

“Kjo punë është emocionuese sepse tregon se si mund të përdoren skica të specializuara të qarqeve për të përshpejtuar një përbërës thelbësor të kontrollit të robotëve”, thotë Robin Deits, një inxhinier robotik në Boston Dynamics i cili nuk ishte i përfshirë në kërkim. “Performanca e softuerit është thelbësore për robotikën, sepse bota reale kurrë nuk pret që roboti të përfundojë së menduari.” Ai shton se përparimi i Neuman mund të lejojë robotët të mendojnë më shpejt, “zhbllokimi i sjelljeve emocionuese që më parë do të ishin shumë të vështira nga llogaritja”.

Neuman në vijim planifikon të automatizojë të gjithë sistemin e llogaritjes robomorfike. Përdoruesit thjesht do të tërheqin dhe lëshojnë parametrat e robotit të tyre dhe “nga ana tjetër del përshkrimi i pajisjes. Unë mendoj se kjo është gjëja që do ta shtyjë atë buzë dhe do ta bëjë atë me të vërtetë të dobishme. “

Ky hulumtim u financua nga Fondacioni Kombëtar i Shkencës, Agjencia e Kërkimit të Informatikës, Projekti CIFellows dhe Agjencia e Projekteve të Kërkimit të Avancuar të Mbrojtjes.