Evolúciós robotok

A GOLEM-TERV

Az önmagukat javítani, sőt, fejleszteni és másolni tudó, „életképes” robotok először az 1950-es évek fantasztikus regényeiben tűntek fel. Fél évszázad múltán, bár még igen messze vagyunk a tökéletes androidtól, elkészültek az első olyan virtuális robotok, amelyek megtervezik, felépítik, és a biológiai evolúcióhoz hasonlóan, természetes kiválasztódással
tökéletesítik magukat.


A Gólem legendája
Jó négyszáz évvel ezelőtt, Prága városában élt egy Loew nevű rabbi, akit mélyen elszomorított, hogy hittestvéreit a kemény munka és a szegénység mellett még gyűlölet és üldöztetés is sújtja. Sokat töprengett, hogyan segíthetne népén, mígnem eszébe jutott a gyermekkorában hallott legenda egy agyagból formált ember alakú teremtményről, a Gólemről, amely teljesíti gazdája minden parancsát. A rabbi éjt-nappá téve kutatott, mígnem a szent Kabbalában rábukkant az agyagszolga megalkotásának titkára. A Moldva-folyó partján levő agyagból el is készült a Gólem: nappal aludt, éjszaka viszont minden munkát elvégzett, és vigyázott a rendre. A rabbi azonban szerette volna, ha jobban hasonlít az emberekre, ezért megtanította olvasni. A könyvekből a Gólem megtanulta, milyen embernek lenni, és elégedetlenkedni kezdett sorsával. Már nem akart mindig csak dolgozni; játszani, szórakozni vágyott. Egy nap kiszökött a rabbi házából, de mert mindenki csak menekült előle, feldühödött, s törni-zúzni kezdett. Az emberek végül összegyűltek, üldözőbe vették, ám a Gólemnek sikerült elszöknie előlük. Attól a naptól fogva senki sem látta...

Igaz, ezek a robotok külsőleg még cseppet sem hasonlítanak az emberszerű androidokra: csupán mozgó, fehér műanyag vázak, amelyek vakon csúsznak-másznak egy asztallapon. A Brandeis Egyetem DEMO Laboratóriumában megvalósuló, mechanikai építőjátékból összerakott modellekre emlékeztető, ám nemzedékről nemzedékre fejlődő, mozgó szerkezetek mégis az utóbbi évek legnagyobb előrelépését jelentik a mesterséges élet, a robotikus életformák felé. A GOLEM-terv keretében folyó kutatásokat, amelyek önfejlesztő robotok létrehozására irányulnak, Hod Lipson gépészmérnök-kutató és Jordan B. Pollack, a számítógéptudomány doktora irányítja. A GOLEM a Genetically Organized Lifelike Electron Mechanics = genetikailag szerveződő életszerű elektromechanikai szerkezet elnevezés kezdőbetűiből alkotott betűszó, amely nem véletlenül cseng össze a középkori legenda (lásd keretes cikkünket),

2. Egy kétszáz tagú nemzedékből kiválasztott, lényegesen különböző
egyedek.

agyagból formált mesterséges teremtménye, a Gólem nevével.
A két kutató szerint a hagyományos robotikai kutatások – amelyekben külön építik meg a testet (a hardvert), majd abba próbálnak megfelelő „agyat” (a szoftvert) behelyezni – zsákutcába vezetnek. „A természetben a test és az agy együtt fejlődnek, s ugyanúgy nem létezhetnek egymás nélkül, mint a tyúk és a tojás” – mondta Pollack. Az együttes fejlődésre (koevolúcióra) építő kísérletek alapja a Lipson által kifejlesztett számítógépes program. Ez a virtuális valóságban egymáshoz mereven (pontban, egyenes vagy sík mentén), illetőleg mozgathatóan (gömbcsuklósan) kapcsolható rudakból vázszerkezetet állít össze, amelyben a rudak hosszát mesterséges neuronok (számítógépes memóriaegységek) által vezérelt, az izmokat helyettesítő lineáris aktuátorok változtathatják. A virtuális gépvilágban ezek a szerkezetek – a robotok – egy végtelen kiterjedésű sík felületen mozoghatnak, az egyszerűség kedvéért kvázisztatikusan, azaz egyensúlyi helyzeteken keresztül.

1. ábra. Evolúciós robot
vázlatos rajza (fent),
és egy nagyon egyszerű,
de már valamennyi
elemet összekapcsoló szerkezet kialakulásának lépései (lent)

Az evolúciós folyamatot utánzó program egy meghatározott (néhány százas) létszámú robotnépességből nemzedékről nemzedékre kiválasztja a legéletképesebb („legfittebb”) szerkezeteket, azaz azokat a robotokat, amelyek adott idő alatt legmesszebbre jutnak el. Majd pici változtatásokkal (bizonyos építőelemeket módosítva, hozzáadva vagy eltávolítva) elkészíti azok „mutáns” utódait, amelyeket aztán visszahelyez a népességbe.
Kezdetben valamennyi robot teljesen üres: egyetlen alapelemet sem tartalmaz. A számítógép feladata, hogy a rendelkezésére álló alapelemekből mozogni képes szerkezeteket állítson elő. Lehetősége van a rudak merev vagy gömbcsuklókkal való összeillesztésére, a mesterséges neuronokkal irányított aktuátorok közbeiktatására, és a neuronok közti kapcsolatok (szinapszisok) kiépítésére. Ez utóbbi során alakul ki az „agy”, amely lehet (központosított) hálózat vagy több független központtal rendelkező rendszer.
Még a laboratórium nagy teljesítményű számítógépének is néhány napra (jellemzően több tucat robotnemzedékre) volt szüksége ahhoz, hogy elkészítse az első mozgásképes robotok tervrajzát. (Ehhez legalább egy kezdetleges neuronhálózatnak ki kell alakulnia, amely az aktuátorokhoz változó vezérlő jeleket juttat. Lásd az 1. ábrát.) Mintegy 300–600 generációra volt szükség az első igazán sikeres példányok megteremtéséhez. Ezek egyébként meglehetősen változatos módon mozogtak. Volt például olyan, amelyiknek a

3. A virtuális robot valós modelljének felépítése. A virtuális térben elkészült tervrajz (a) alapján a prototípus-gyártó gép elkezdi a modell legyártását (b). A gyártás egy közbensô lépése (c), és egy kész gömbcsuklós csatlakozás közelrôl (d)
4. Három sikerült robot
a virtuális térben (balra) és a valóságban (jobbra)

teste közepéből nyúlt ki egy „láb”, amely kilincsműszerűen hajtotta előre, míg egy másik mellúszó-tempókra emlékeztető mozdulatokkal kúszott a felületen. (Egy jellegzetes evolúciós folyamatról készült film megtekinthető az alábbi internet címen: www.demo.cs.brandeis.edu/golem)
A tervrajzok megvalósításához Pollack és Lipson egy gyors prototípusgyártó gépet csatlakoztatott a számítógéphez, amely a tervrajz alapján műanyagból elkészítette a szerkezetek valós térbeli modelljét.
A program beindításától egészen eddig a pontig a teljes folyamat emberi beavatkozás nélkül ment végbe. „Itt viszont egy kicsit be kellett segítenünk – mondta Pollack. – Igaz, ez csupán abból állt, hogy a robotokhoz csatoltuk az aktuátorokat, és az agyukban tárolt információt betöltöttük egy mikroprocesszorba. Minden egyéb a fizika és az evolúció törvényei szerint, magától ment végbe.”
A két kutató a további kísérletekben egyrészt bonyolultabb környezeti feltételeket akar teremteni a robotok számára, másrészt érzékelőkkel akarja ellátni őket, amelyekkel észlehetik az akadályokat vagy más robotok jelenlétét. Így sokkal bonyolultabb feladatokkal kerülnek szembe, és sokoldalúbb alkalmazkodásra kényszerülnek. Ez pedig a kutatók várakozása szerint bonyolultabb test- és agyszerkezet kialakítására vezet majd. Ám, mint azt maga Pollack is elismerte, „az intelligens, emberszerű android ettől még fényévekre van.”

Gajzágó éva


5. A robotok alkalmasságának (fitnesz, függôleges tengely) fejlôdése a nemzedékek sorszámának (vízszintes tengely) függvényében. Minden pont egy egyedet jelképez. A fejlôdésben figyelemre méltó ugrások figyelhetôk meg, s az is látható, hogy a fitnesz növekedtével a fejlôdés üteme csökken