Wyobraź sobie robota, który nachyla się, by podnieść szklankę z wodą – i nagle drży, bo dotknął czegoś ciepłego. Albo zatrzymuje się w milisekundę, zanim uderzy w ścianę. Kiedy ten wynalazek jeszcze nie był powszechnie stosowany na świecie, we Wrocławiu zespół innowatorów już testował go na krzesłach, stołach i mechanicznych kończynach. Sensory dla robotów – to fundament, na którym opiera się współczesna robotyka. I podczas gdy inne miasta dopiero opanowują sterowanie odkurzaczem zdalnym, Wrocław szkoli specjalistów, buduje systemy sensoryczne w laboratoriach uniwersyteckich i rozwija start-upy, które wszczepiają robotom instynkt. Więcej na iwroclaw.com.
Czym są systemy sensoryczne i dlaczego roboty ich potrzebują
Robot bez sensorów – jest jak człowiek bez zmysłów. Niezależnie od tego, jaki ma procesor czy algorytm, jeśli nie widzi, nie słyszy i nie orientuje się w otoczeniu – jest po prostu drogim, ruchomym tosterem. System sensoryczny – to „organy zmysłów” maszyny, które odczytują sygnały z zewnątrz i przekazują je dalej – do analizy, reakcji, a czasem nawet do nauki.
Najprostsze sensory to czujniki podczerwieni lub ultradźwiękowe, które pomagają nie wpaść na przeszkody. Kamery dostarczają obraz, mikrofony – dźwięk, termosensory reagują na temperaturę, a czujniki ciśnienia – na dotyk. Kompleksowe roboty łączą dziesiątki i setki takich sensorów. I im trudniejsze zadanie, tym bardziej czuły musi być ich zestaw.
Ale odczytanie sygnału to tylko połowa sukcesu. Ważne jest jeszcze, by go właściwie zinterpretować. Robotowi nie wystarczy „wiedzieć”, że przed nim jest ciepły obiekt – musi zdecydować, czy to ludzka ręka, filiżanka kawy, czy niebezpieczna awaria systemu chłodzenia. Właśnie dlatego system sensoryczny zawsze działa w tandemie z algorytmami oprogramowania, inaczej niewiele z niego pożytku.
Wrocławska szkoła: laboratoria, ludzie, podejścia
Politechnika Wrocławska – to prawdziwa platforma, gdzie sensoryka jest badana na poziomie pamięci mięśniowej. Działają tu osobne laboratoria poświęcone właśnie robotom i ich „czułości”. Na przykład w Laboratorium Mechatroniki i Robotyki studenci pracują z sensorami, które mierzą ruch, konfigurację, a także otoczenie – od przeszkód po zmianę temperatury. To już niemal badanie intuicji maszyn.
W Katedrze Cybernetyki i Robotyki przewidziano specjalne moduły dotyczące systemów percepcji – włączając zbieranie, przetwarzanie i syntezę danych. Nacisk kładziony jest nie tylko na stronę techniczną, ale i na to, jak te sensory zachowują się w rzeczywistym środowisku, gdzie wszystko ciągle się zmienia.
W pracy trójki wrocławskich badaczy rozważano sposoby łączenia kilku typów sensorów – ultradźwiękowych, termowizyjnych i kamer 3D – w celu stworzenia wyraźniejszego i bardziej niezawodnego „obrazu” otoczenia. Z tej mozaiki robot mógł samodzielnie budować mapę i unikać niepożądanych spotkań z meblami czy ludźmi.
Przy okazji rozwiązywano problem, jak zmniejszyć strumień informacji, by nie przeciążyć systemu. Postrzegać wszystko – nie oznacza rozumieć wszystko. I choć większość projektów ma na razie status badawczy, poziom ambicji i realizacji technicznej jest tam w pełni przemysłowy.
Startup Clone: 500 sensorów i 1000 mięśni
Jeśli laboratoria Wrocławia tworzą intelektualne jądro robotyki sensorycznej, to startup Clone – jest jej platformą demonstracyjną. I to całkiem niezłą: ich android ma ponad 500 sensorów i około tysiąca sztucznych mięśni. To nie jest porównanie przenośne – firma realnie tworzy biomimetycznego robota humanoidalnego, który w trakcie ruchu reaguje, balansuje i adaptuje się.
Projekt bazuje we Wrocławiu, ale zdążył już wyjść daleko poza granice lokalne. Clone pozycjonuje się jako pierwszy na świecie startup, który próbuje odtworzyć ludzkie ciało nie za pomocą silniczków, ale przez sztuczne mięśnie, zbliżone zasadą działania do biologicznych. A żeby taki mechanizm w ogóle mógł funkcjonować, potrzebuje rozgałęzionego systemu sensorycznego. Czujniki są tam dosłownie wszędzie – w mięśniach, stawach, na „skórze”. Pomagają robotowi orientować się w przestrzeni, regulować siłę, reagować na zmianę temperatury, ciśnienia czy dotyku.
Właśnie taka sensoryczna „zawartość” pozwala robotowi na interakcję z otoczeniem niemal na poziomie instynktownym: unikanie zagrożeń, reagowanie na ludzką obecność, utrzymywanie równowagi bez sztywnych skryptów. Faktycznie jest to próba nadania maszynie czułości.
Oczywiście, nie tylko Clone eksperymentuje z sensoryką, ale to właśnie wrocławscy innowatorzy przeszli w sferę zastosowań praktycznych. A to – dobra wiadomość dla miasta, które aspiruje do miana polskiej Doliny Krzemowej.
Trendy w robotyce sensorycznej: od sygnału do sensu
Sensory same w sobie już nikogo nie zaskakują – są w lodówkach, w butach do biegania i w ekspresach do kawy. Ale w robotach stają się narzędziem interakcji, a czasem – nawet podstawą maszynowego „zachowania”. I tu, oprócz typu sensora, ważny jest sposób jego przetwarzania. Współczesna robotyka zmierza w kierunku łączenia kilku kanałów: kamera, ultradźwięk, czujnik termiczny i mikrofon – wszystko w jednej obudowie. A żeby z tego nie wyszedł chaos informacyjny, potrzebny jest dobry system przetwarzania: z szybką reakcją, filtrowaniem szumów i określaniem priorytetów zagrożeń.
Wykorzystanie uczenia maszynowego tylko pogłębia tę dynamikę. Roboty uczą się na własnym doświadczeniu: gdzie się potknęły, gdzie zbyt mocno ścisnęły, gdzie nie zauważyły przeszkody. Tak formuje się coś bliższego modelowi behawioralnemu. I im bardziej „czuła” maszyna, tym trudniejsza do zaprojektowania.
Nawiasem mówiąc, wrocławscy innowatorzy nie pozostają w tyle i w innych kierunkach. Na przykład, wykorzystuje się tu samonaprawialny beton, który sam zasklepia mikropęknięcia, niczym skóra po zadrapaniu. A platformą dla wielu podobnych projektów jest Wrocławski Park Technologiczny – miejsce, w którym badacze, inżynierowie i przedsiębiorcy budują mosty między nauką a rynkiem.