Skriver ut selvlærende roboter

Robotlaboratoriet i fjerde etasje på Institutt for informatikk ser ut som en lekestue. Her tester forskere ut hvordan roboter selv kan lære å bevege seg gjennom hindre og andre ufremkommeligheter.

– I fremtiden skal roboter kunne løse oppgaver i dype gruver på fjerne planeter, i radioaktive katastrofeområder, i farlige jordskred eller på havbunnen under Antarktis. Miljøet er så ekstremt at ingen mennesker kan stille opp. Alt må være automatisk styrt. Tenk deg at roboten skal inn i et ødelagt kjernekraftverk. Den finner en trapp som ingen hadde tenkt på. Roboten tar et bilde. Bildet analyseres. En av robotene har en robotarm med printer. Den lager så en ny robot eller et nytt element på den eksisterende roboten for å forsere trappen, håper førsteamanuensis Kyrre Glette i forskergruppen Robotikk og intelligente systemer på Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo.

Tre generasjoner

Selv om Glettes tanker fortsatt er fremtidsvisjoner, har robotforskerne i Informatikkbygningen allerede utviklet tre generasjoner selvlærende roboter.

Professor Mats Høvin stod bak den første versjonen, kyllingroboten «Henriette», som fikk mye medieomtale da den ble lansert for ti år siden.

Henriette måtte selv lære seg hvordan den kunne gå og hoppe over hindre. Og hvis den mistet det ene beinet, måtte den, uten hjelp fra omverdenen, lære seg å hinke med den andre foten.

Masterstudent Tønnes Nygaard stod noen år senere bak annengenerasjonsroboten. Informatikerne utviklet samtidig et simuleringsprogram som kunne beregne hvordan kroppen skulle se ut. Akkurat som med Henriette, var antall bein forhåndsbestemt, men programmet kunne fritt designe lengden på beina og avstanden imellom dem. Med tredjegenerasjonsroboten er fleksibiliteten blitt enda større. Nå tar simuleringsprogrammet seg av hele designet og foreslår det optimale antall bein og ledd.

– Vi kommer med ønsker til simuleringsprogrammet om hva roboten skal gjøre, hvor raskt den skal gå, størrelsen og hvor mye energi den kan bruke. Noen krav kan være at roboten skal  kunne snu og skifte retning, klatre i stein og gå i ulendt terreng, forteller Kyrre Glette.

Simuleringsprogrammet foreslår da selv den optimale løsningen, slik som formen på kroppen og antall bein. Den simulerer tusenvis av muligheter og fremavler de beste versjonene ved hjelp av kunstig evolusjon. Programmet foreslår med andre ord et sett av ulike roboter som skal fungere best mulig.

– Ingen er bedre enn de andre. Den eneste forskjellen er strategiene for hvordan de skal løse oppgavene, forteller stipendiat Eivind Samuelsen.

Uheldigvis er det vanskelig å simulere seg frem til den perfekte løsningen, fordi ønskene om hva robotene skal gjøre, stadig blir mer kompliserte.

Trener robotene

Det er ikke nok å simulere. For å kunne teste hvordan robotene fungerer, må de også testes ut i den virkelige verden. Robotene blir skrevet ut på en 3D-skriver.

– Når robotene er printet ut, fungerer de ofte annerledes enn i de simulerte versjonene. Her snakker vi om en virkelighetskløft. Det vil alltid være et avvik. Kanskje gulvet er glattere i virkeligheten. Da må friksjonskoeffisienten endres. Vi ser derfor på hvordan robotene taper seg fra simuleringer til laboratorium, forteller Mats Høvin.

Robotene er ofte bare halvparten så gode i virkeligheten.

– Med opptrening kan robotene forbedre ytelsen med 20 til 40 prosent. Vi håper at ytelsene etter hvert kan fordobles og bli minst like gode som, eller kanskje enda bedre enn, i de simulerte versjonene.

Allerede i simuleringsprogrammet undersøker forskerne hvor gode robotene er til å lære og trene.

– Vi sjekker så om robotene også kan lære i den virkelige verden. En av testene er å se hvordan robotene reagerer på hindre, forteller Samuelsen.

Fra tre til seks bein

Robotgjengen sammenligner nå ytelsen til fem roboter som i teorien skal være like gode.

Tre av de fem robotene har fire bein, en har tre og den siste har seks. Jo færre bein, desto mindre energi brukes. En av robotene har bare ett ledd på beina. De andre beina har to ledd hver.

– Løsningen kunne kanskje vært best med tre ledd, men da bruker de altfor mye energi.

Forskerne har derfor, akkurat som i naturen, valgt å begrense antall ledd til to.

– Med ett ledd på hvert bein går roboten effektivt fremover, men da har den hatt vanskeligheter med å snu, påpeker Glette.

Når forskerne skal teste robotene, legger de ut hindringer, slik at robotene selv skal kunne lære seg hvordan hindrene kan passeres.

Forskerne håper at robotene i fremtiden automatisk skal kunne gi tilbakemeldinger til simuleringsprogrammet om hvor bra de fungerer, slik at datamaskinen neste gang kan designe enda bedre roboter.

– Når robotene blir mer perfekte, skal vi også teste ut hvordan de fungerer hvis de blir skrevet ut i et mykere materiale.

3D-skrivere

3D-skrivere gjør det mulig å lage avanserte roboter og andre gjenstander.

– Forklaringen er at en 3D-printer konstruerer det du ønsker deg, lag for lag. Da slipper du støpeform  og kan lage det umulige i en enkelt del. Du kan produsere perfekte former og strukturer som ellers ikke er mulig å lage. Det er bare fantasien som setter grenser.

Med en 3D-printer er det også mulig å skrive ut gjenstander med store hulrom, slik som skip i flaske.

– 3D-utskriften bygger på en matematisk modell, beskrevet som polygoner, av det som skal skrives ut, forteller Mats Høvin, som nå tester ut hva som er teknisk mulig å lage, slik som hvor tynne eller tykke robotbeina kan være.

Det finnes en rekke ulike typer 3D-skrivere.

– Noen skriver ut i stål, titan og plast. Andre skriver ut klær. Organprinting er blitt hype. Før kirurgene starter operasjonen, kan de printe ut en kopi av pasienten og øve seg på den. Rikshospitalet bruker allerede teknologien til å designe skjelettdeler til hoftepasienter.

Skriverne på UiO koster mellom 400 000 og tre millioner kroner. Jo dyrere, desto bedre detaljer.

– NATO ønsker å bruke skriverne til å lage reservedeler hvis en del går i stykker i felt. Da kan delen produseres på dagen. Noen konditorer bruker allerede 3D-skrivere til å lage avanserte kaker. Det finnes også skrivere som lager hus. Da kan entreprenøren sette opp en svær kran som skriver ut hele huset med sement og isolasjon og det hele. Smart! Så slipper man håndverkere, forteller Mats Høvin.

Ikke alle 3D-skrivere printer ut lag på lag. Det finnes også 3D-printere som freser bort det overflødige i klosser.

De nyeste skriverne kan både frese bort og legge på lag på lag i samme operasjon.

– Da blir alt mer nøyaktig.

En av de store fordelene for robotgjengen på Blindern, er den korte veien fra idé til robottesting.

– Vi har likevel mange praktiske utfordringer før robotene våre kan bli utnyttet kommersielt.

Den største utfordringen vår er å utvikle robuste algoritmer og et system som kan utnytte unøyaktige simuleringer, påpeker Kyrre Glette.