Nawigacja inspirowana mózgiem w robotach
Komputery są niewątpliwie niedoścignione, jeżeli chodzi o szybkie przetwarzanie ogromnych ilości informacji przy pomocy precyzyjnie instruowanych algorytmów. Jak na razie jednak wciąż nie potrafią efektywnie obliczać niejednoznacznych i nieprzewidywalnych danych: zadanie to wymaga zastosowania algorytmu, który byłby często aktualizowany, a do tego zdolny jest wyłącznie ludzki mózg — 30 razy potężniejszy niż najlepszy chip komputerowy. Jeden z najlepszych przykładów ograniczenia komputerów dotyczy poruszania się w terenie (nawigacji). O ile nasz mózg z łatwością pomaga nam w poruszaniu się w dynamicznie zmieniających się środowiskach, to systemy jednoczesnej lokalizacji i mapowania (SLAM) słabo sobie z tym radzą, szczególnie gdy uwzględni się olbrzymie ilości obliczeń i pamięci zaangażowanej w ten proces. "W tradycyjnych komputerach duża część tego procesu realizowana jest szeregowo, w takim sensie że komputer wykonuje operacje jedna po drugiej", tłumaczy dr Edvard Moser, koordynator unijnego projektu GRIDMAP (Grid cells: From brains to technical implementation). "W mózgu z kolei wiele procesów odbywa się równocześnie i w sposób interaktywny: operacje przeprowadzane w jednym obszarze mózgu uwzględniają to, co dzieje się w tym samym momencie w innych regionach". Tutaj właśnie znaczenia nabierają najlepiej udokumentowane odkrycia dr. Mosera. W 2005 r. uczony wraz z zespołem z norweskiego Centrum Biologii Pamięci (CBM) odkrył komórki siatkowe, neurony występujące u wielu gatunków zwierząt, dzięki którym mogą one określać swoje położenie w przestrzeni. Głównym założeniem przyjętym w projekcie GRIDMAP jest to, że proces ten można zbadać, stworzyć w oparciu o niego algorytmy i zastosować je w maszynach, aby umożliwić im określanie położenia w złożonych środowiskach z efektywnością podobną do mózgu. "Chcieliśmy dowiedzieć się więcej na temat działania mózgu", opowiada dr Moser. "Rozpoczęliśmy od badań nad mózgiem, sądząc, że zachodzące w nim procesy można by wykorzystać w komputerach, w szczególności w robotach. Zakładaliśmy, że jeżeli uda nam się lepiej zrozumieć mechanizmy, dzięki którym mózg umożliwia nawigację, poznać rodzaje komórek uczestniczących w tym procesie i dowiedzieć się, jak współpracują one ze sobą, wiedzy tej będą mogli użyć inżynierowie tworzący sztuczne nowoczesne systemy, takie jak roboty". W pierwszym etapie prac zespół skupiał się na badaniu współpracy między komórkami siatkowymi. "Na przykład, kiedy szczur porusza się w boksie o powierzchni dwóch metrów kwadratowych, jego komórki mózgowe mogą być aktywne w 10-12 różnych miejscach. Od tego momentu zachodzi złożony proces z udziałem wielu mechanizmów fizycznych, ale zasadniczo najważniejsze jest to, że aktywne komórki konkurują ze sobą oraz że z rywalizacji tej wyłania się wzorzec aktywności. Wyłania się on, ponieważ jest najbardziej stabilny", tłumaczy dr Moser. Od momentu rozpoczęcia realizacji projektu w marcu 2013 r. zespół wykorzystywał narzędzie pomiarowe do badania tego procesu. Rejestrowano aktywność elektryczną zwierzęcych komórek mózgowych przy pomocy elektronów, co pozwala na nieuszkadzanie komórek, a następnie zapisywano te informacje na komputerze, aby określić, w jaki sposób komórki współpracują ze sobą, tworząc mapę otoczenia zwierzęcia. "W badaniach tych współpracujemy ze specjalistami w dziedzinie obliczeń, aby opracować modele tych mechanizmów. Modele te są w zasadzie predykcyjne, więc sprawdzamy poprawność ich przewidywań, by następnie w zależności od rezultatu odpowiednio je zmodyfikować", mówi dr Moser. Od mózgu do maszyny Jest to czasochłonny proces badawczy, którego zakończenie planowano pierwotnie na sierpień 2016 r., ale który potrwa jeszcze dodatkowy rok. Dr Moser i jego zespół otrzymali ostatnio zgodę na przedłużenie realizacji projektu GRIDMAP o kolejny rok, dzięki czemu będą mieli więcej czasu na przeprowadzenie etapu wdrożenia technicznego. "Aktualnie staramy się implementować wzorce połączeń, podobne do tych obserwowanych w mózgu, w komputerach, a następnie sprawdzić, czy w jakiś sposób nie umożliwi to robotom skutecznej nawigacji. Przed nami jednak jeszcze długa droga, jeżeli chcemy dokładnie zrozumieć, jak działa mózg i jak można wykorzystać te mechanizmy w maszynach", twierdzi Moser. "Potrzebujemy do tego technicznego zaimplementowania sytuacji, w której robot znajduje drogę w środowisku dopuszczającym możliwość wystąpienia nieoczekiwanych zdarzeń, na przykład polegających na konieczności przejścia improwizowanym skrótem w celu uniknięcia przeszkody w nieznanym otoczeniu. Przyglądamy się też takim sytuacjom z udziałem zwierząt, ale zadanie jest trudne. Co więcej, postępy badań biologicznych są dużo wolniejsze, niż oczekuje tego branża robotyki. Uważam, że inspirowanie się procesami biologicznymi to właściwy kierunek, ale jest to czasochłonne". Ostatnio dr Moser wraz z zespołem rozpoczął implementację części mechanizmów zaobserwowanych w mózgu w komputerach. Choć stwierdza on, że wyniki tych prac wyglądają obiecująco, przyznaje, iż do przełożenia ich na produkty nadające się do wprowadzenia na rynek pozostaje jeszcze długa droga. Badania będą najpewniej kontynuowane po zakończeniu projektu, ale uczony jest przekonany, że w końcu okażą się one owocne: nawigacja jest jedną z funkcji, którą branża robotyki jest najbardziej zainteresowana, a projekt GRIDMAP ma w tym zakresie większy potencjał niż jakiekolwiek inne inicjatywy.
Słowa kluczowe
Nawigacja inspirowana mózgiem, robotyka, SLAM
