تخيلوا عالمة تريد أن ترسل روبوتًا ليستكشف في مكان بعيد، مكان قد تكون جغرافيته غير معروفة تمامًا وربما غير مضياف. تخيلوا الآن أنه بدلاً من تصميم هذا الروبوت أولاً وإرساله على أمل أن يكون مناسبًا، بدلاً من ذلك، فإنها ترسل تقنية لإنتاج الروبوت تحدد نوع الروبوت المطلوب بمجرد وصوله، وتبنيه ثم تمكينه لمواصلة التطور للتكيف مع محيطه الجديد.
Imagine a scientist who wants to send a robot to explore in a faraway place, a place whose geography might be completely unknown and perhaps inhospitable. Now imagine that instead of first designing that robot and sending it off in the hope that it might be suitable, instead, she sends a robot-producing technology that figures out what kind of robot is needed once it arrives, builds it and then enables it to continue to evolve to adapt to its new surroundings.
إنه بالضبط ما أعمل عليه أنا وزملائي: تقنية جديدة جذرية تمكن من إنشاء الروبوتات وإعادة إنتاجها وتطويرها على مدى فترات طويلة من الزمن، وهي تقنية يصبح فيها تصميم وتصنيع الروبوتات مهمة للآلات بدلاً من البشر.
It’s exactly what my collaborators and I are working on: a radical new technology which enables robots to be created, reproduce and evolve over long periods of time, a technology where robot design and fabrication becomes a task for machines rather than humans.
الروبوتات موجودة بالفعل في كل مكان حولنا، في المصانع، في المستشفيات، في منازلنا. ولكن من وجهة نظر المهندس، فإن تصميم روبوت للتكديس على الرفوف أو رومبا لتنظيف منزلنا هو أمر بسيط نسبيًا. نحن نعرف بالضبط ما يجب عليهم فعله، ويمكننا أن نتخيل نوع المواقف التي قد يجدون أنفسهم فيها. لذلك نصمم مع وضع ذلك في الاعتبار. ولكن ماذا لو أردنا إرسال هذا الروبوت ليعمل في مكان ليس لدينا سوى القليل من المعرفة أو حتى أي المعرفة عنه؟ على سبيل المثال، تنظيف النفايات القديمة داخل مفاعل نووي حيث يكون إرسال البشر غير آمن، أو التنقيب عن المعادن في أعماق خندق في قاع المحيط، أو استكشاف كويكب بعيد. كم سيكون الأمر محبطًا إذا وجد الإنسان الآلي المصمم على يد الإنسان، والذي استغرق سنوات للوصول إلى الكويكب فجأة، أنه بحاجة إلى حفر حفرة لجمع عينة أو تسلق جرف ولكن لم يكن لديه الأدوات المناسبة أو الأدوات المناسبة لوسائل الحركة للقيام بذلك؟ إذا كان لدينا بدلاً من ذلك تقنية مكنت الروبوتات من التصميم والتحسين في الموقع، في البيئة التي يحتاجون فيها للعيش والعمل، فيمكننا عندئذٍ توفير سنوات من الجهد الضائع وإنتاج روبوتات تتكيف بشكل فريد مع البيئات التي يجدون أنفسهم فيها.
Robots are already all around us, in factories, in hospitals, in our home. But from an engineer's perspective, designing a shelf-stacking robot or a Roomba to clean our home is relatively straightforward. We know exactly what they need to do, and we can imagine the kind of situations they might find themselves in. So we design with this in mind. But what if we want to send that robot to operate in a place that we have little or even no knowledge about? For example, cleaning up legacy waste inside a nuclear reactor where it's unsafe to send humans, mining for minerals deep in a trench at the bottom of the ocean, or exploring a faraway asteroid. How frustrating would it be if the human-designed robot, that had taken years to get to the asteroid suddenly found it needed to drill a hole to collect a sample or clamber up a cliff but it didn't have the right tools or the right means of locomotion to do so? If instead we had a technology that enabled the robots to be designed and optimized in situ, in the environment in which they need to live and work, then we could potentially save years of wasted effort and produce robots that are uniquely adapted to the environments that they find themselves in.
لذا لإدراك هذه التكنولوجيا، لجأنا إلى الطبيعة للحصول على المساعدة. في كل مكان حولنا، نرى أمثلة لأنواع بيولوجية طورت تكيفات ذكية تمكنها من الازدهار في بيئة معينة. على سبيل المثال، في الغابة الكوبية المطيرة، نجد الكروم التي تطورت أوراقها على شكل أطباق استقبال من صنع الإنسان. هذا يترك الخفافيش مباشرة إلى أزهارها عن طريق تضخيم الإشارات التي ترسلها الخفافيش، وبالتالي تحسين التلقيح. ماذا لو تمكنا من إنشاء نسخة مصطنعة من التطور من شأنها أن تمكن الروبوتات من التطور بطريقة مماثلة للكائنات البيولوجية؟
So to realize this technology, we've been turning to nature for help. All around us, we see examples of biological species that have evolved smart adaptations that enable them to thrive in a given environment. For example, in the Cuban rainforest, we find vines that have evolved leaves that are shaped like human-designed satellite dishes. These leaves direct bats to their flowers by amplifying the signals that the bats send out, therefore, improving pollination. What if we could create an artificial version of evolution that would enable robots to evolve in a similar manner as biological organisms?
أنا لا أتحدث عن المحاكاة الحيوية، وهي تقنية تقوم ببساطة بنسخ ما يتم ملاحظته في الطبيعة. ما نأمل في تسخيره هو إبداع التطور، لاكتشاف التصميمات التي لم تتم ملاحظتها هنا على الأرض، ربما لم يفكر المهندس البشري أو حتى يكون قادرًا على تصورها. من الناحية النظرية، يمكن أن تعمل تقنية التصميم التطوري هذه بشكل مستقل تمامًا في مكان بعيد. ولكن بنفس القدر يمكن أن يسترشد بها البشر. مثلما نقوم بتربية النباتات لصفات مثل مقاومة الجفاف أو الذوق، يمكن لمربي الإنسان الآلي أن يوجه التطور الاصطناعي لإنتاج روبوتات ذات صفات محددة. على سبيل المثال، القدرة على الضغط من خلال فجوة ضيقة أو ربما تعمل بطاقة منخفضة.
I'm not talking about biomimicry, a technology which simply copies what's observed in nature. What we're hoping to harness is the creativity of evolution, to discover designs that are not observed here on Earth, the human engineer might not have thought of or even be capable of conceiving. In theory, this evolutionary design technology could operate completely autonomously in a faraway place. But equally it could be guided by humans. Just as we breed plants for qualities such as drought resistance or taste, the human robot breeder could guide artificial evolution to producing robots with specific qualities. For example, the ability to squeeze through a narrow gap or perhaps operate at low energy.
إن فكرة التطور الاصطناعي هذه التي تحاكي التطور البيولوجي باستخدام برنامج كمبيوتر لتوليد حلول أفضل وأفضل للمشكلات بمرور الوقت ليست جديدة في الواقع. في الواقع، تم استخدام التطور الاصطناعي، الخوارزميات التي تعمل داخل الكمبيوتر، لتصميم كل شيء من الطاولات إلى شفرات التوربينات. في عام 2006، أرسلت وكالة ناسا قمرًا صناعيًا إلى الفضاء بهوائي اتصالات تم تصميمه عن طريق التطور الاصطناعي.
This idea of artificial evolution imitating biological evolution using a computer program to breed better and better solutions to problems over time isn't actually new. In fact, artificial evolution, algorithms operating inside a computer, have been used to design everything from tables to turbine blades. Back in 2006, NASA even sent a satellite into space with a communication antenna that had been designed by artificial evolution.
لكن تطور الروبوتات هو في الواقع أصعب بكثير من تطوير الأشياء السلبية مثل الطاولات، لأن الروبوتات تحتاج إلى أدمغة وكذلك أجساد من أجل فهم المعلومات الموجودة في العالم من حولهم وترجمتها إلى سلوكيات مناسبة. إذًا كيف يمكننا فعل هذا؟ والمثير للدهشة أن التطور يحتاج فقط إلى ثلاثة مكونات: مجموعة من الأفراد تظهر بعض الاختلافات الجسدية، طريقة تكاثر يرث فيها الأبناء بعض السمات من آبائهم ويكتسبون أحيانًا سمات جديدة عن طريق الطفرة؛ وأخيرًا، وسيلة للانتقاء الطبيعي. حتى نتمكن من تكرار هذه المكونات الثلاثة لتطوير الروبوتات باستخدام مزيج من الأجهزة والبرامج. المهمة الأولى هي تصميم نسخة رقمية من الحمض النووي. هذا مخطط رقمي يصف دماغ الروبوت وجسمه وآلياته الحسية ووسائل حركته. باستخدام مجموعة تم إنشاؤها عشوائيًا من هذه المخططات، يمكننا إنشاء مجموعة أولية من 10 روبوتات أو أكثر لبدء هذه العملية التطورية. لقد صممنا تقنية يمكنها أخذ المخطط الرقمي وتحويله إلى إنسان آلي فعلي دون الحاجة إلى مساعدة بشرية. مثلاً، تستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد لطباعة الهيكل العظمي للروبوت ثم ذراع التجميع الآلي كما قد تجده في مصنع لإضافة أي إلكترونيات وأجزاء متحركة، بما في ذلك جهاز كمبيوتر صغير يعمل كعقل. ولتمكين هذا الدماغ من التكيف مع الجسم الجديد للروبوت، نرسل كل روبوت يتم إنتاجه إلى ما يعادل روضة الأطفال، وهو المكان الذي يمكن فيه للروبوت الوليد تحسين مهاراته الحركية تقريبًا مثل طفل صغير. لتقليد الانتقاء الطبيعي، نقوم بتسجيل هذه الروبوتات على القدرة على القيام بمهمة ما. ثم نستخدم هذه الدرجات لنقرر بشكل انتقائي أي الروبوتات يجب أن تتكاثر. آلية التكاثر تمزج الحمض النووي الرقمي للروبوتات الأم المختارة لإنشاء مخطط جديد لروبوت طفل يرث بعض الخصائص من والديه ولكنه يعرض أحيانًا بعض الخصائص الجديدة. ومن خلال تكرار دورة الانتقاء والتكاثر مرارًا وتكرارًا، نأمل أن نتمكن من إنتاج أجيال متتالية من الروبوتات حيث، تمامًا كما يتم ملاحظته غالبًا في التطور البيولوجي، يتحسن كل جيل عن السابق، مع قيام الروبوتات بتحسين شكلها تدريجيًا وسلوكهم تجاه المهمة والبيئة التي يجدون أنفسهم فيها.
But evolving robots is actually much harder than evolving passive objects such as tables, because robots need brains as well as bodies in order to make sense of the information in the world around them and translate that into appropriate behaviors. So how do we do it? Surprisingly, evolution only needs three ingredients: a population of individuals which exhibit some physical variations; a method of reproduction in which offspring inherit some traits from their parents and occasionally acquire new ones via mutation; and finally, a means of natural selection. So we can replicate these three ingredients to evolve robots using a mixture of hardware and software. The first task is to design a digital version of DNA. That is a digital blueprint that describes the robot's brain, its body, its sensory mechanisms and its means of locomotion. Using a randomly generated set of these blueprints, we can create an initial population of 10 or more robots to kick-start this evolutionary process. We've designed a technology that can take the digital blueprint and turn it into a physical robot without any need for human assistance. For example, it uses a 3D printer to print the skeleton of the robot and then an automated assembly arm like you might find in a factory to add any electronics and moving parts, including a small computer that acts as a brain. And to enable this brain to adapt to the new body of the robot, we send every robot produced to an equivalent of a kindergarten, a place where the newborn robot can refine its motor skills almost like a small child would. To mimic natural selection, we score these robots on the ability to conduct a task. And then we use these scores to selectively decide which robots get to reproduce. The reproduction mechanism mixes the digital DNA of the chosen parent robots to create a new blueprint for a child robot that inherits some of the characteristics from its parents but occasionally also exhibits some new ones. And by repeating the cycle of selection and reproduction over and over again, we hope that we can breed successive generations of robots where, just like is often observed in biological evolution, each generation gets better than the last, with the robots gradually optimizing their form and their behavior to the task and the environment that they find themselves in.
الآن، على الرغم من أن هذا يمكن أن يحدث في إطار زمني أسرع بكثير من التطور البيولوجي، والذي يستغرق أحيانًا آلاف السنين، إلا أنه لا يزال بطيئًا نسبيًا من حيث الإطار الوقتي التي قد نتوقعه في عالمنا الحديث لتصميم وإنتاج تحفة فنية. يرجع ذلك أساسًا إلى عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي يمكن أن تستغرق أكثر من أربع ساعات لكل روبوت، اعتمادًا على مدى تعقيد وشكل الروبوت. ولكن يمكننا أن نمنح عملية التطور الاصطناعي الخاصة بنا يد العون لتقليل عدد الروبوتات المادية التي نحتاج بالفعل إلى صنعها. نقوم بإنشاء نسخة رقمية من كل روبوت يتم إنتاجه داخل محاكاة في جهاز كمبيوتر، ونسمح لهذه المجموعة الافتراضية من الروبوتات بالتطور. من المحتمل الآن أن المحاكاة ليست تمثيلًا دقيقًا جدًا للعالم الحقيقي. لكن لها ميزة أنها تتيح إنشاء نماذج من الروبوتات واختبارها في ثوانٍ بدلاً من ساعات. لذلك باستخدام تقنية المحاكاة، يمكننا أن نستكشف بسرعة إمكانات مجموعة واسعة من أنواع الروبوتات ذات الأشكال والأحجام المختلفة، والتكوينات الحسية المختلفة، وسرعان ما نحصل على تقدير تقريبي لمدى فائدة كل روبوت قبل أن نصنعه فعليًا. ونتوقع أنه من خلال السماح بنوع جديد من التكاثر حيث يمكن للروبوت المادي أن يتكاثر مع أحد أبناء عمومته الافتراضيين، فإن السمات المفيدة التي تم اكتشافها في المحاكاة ستنتشر بسرعة في مجتمع الروبوت المادي، حيث يمكن تحسينها بشكل أكبر فى الموقع.
Now, although this can all take place in a time frame that's much faster than biological evolution, which sometimes takes thousands of years, it's still relatively slow in terms of the time frames we might expect in our modern world to design and produce an artifact. It's mainly due to the 3D printing process, which can take more than four hours per robot, depending on the complexity and the shape of the robot. But we can give our artificial evolutionary process a helping hand to reduce the number of physical robots that we actually need to make. We create a digital copy of every robot produced inside a simulation in a computer, and we allow this virtual population of robots to evolve. Now it's quite likely that the simulation isn't a very accurate representation of the real world. But it has an advantage that it enables models of robots to be created and tested in seconds rather than hours. So using the simulator technology, we can quickly explore the potential of a wide range of robot types of different shapes and sizes, of different sensory configurations, and quickly get a rough estimate of how useful each robot may be before we physically make it. And we predict that by allowing a novel form of breeding in which a physical robot can breed with one of its virtual cousins, then the useful traits that have been discovered in simulation will quickly spread into the physical robot population, where they can be further refined in situ.
قد يبدو الأمر أشبه بالخيال العلمي، لكن في الواقع هناك نقطة جدية. بينما نتوقع أن تكون التكنولوجيا التي وصفتها للتو مفيدة في تصميم الروبوتات، على سبيل المثال، للعمل في المواقف التي يكون فيها إرسال البشر غير آمن أو مساعدتنا في متابعة سعينا العلمي لاستكشاف الكواكب الخارجية، فهناك بعض الأسباب الواقعية وراء ذلك. يجب أن ننظر في التطور الاصطناعي. مع تسارع وتيرة تغير المناخ، من الواضح أننا بحاجة إلى إعادة تفكير جذري في نهجنا للتصميم الآلي هنا على الأرض من أجل تقليل الأثر البيئي. على سبيل المثال، إنشاء تصميمات جديدة للروبوت المبني من مواد مستدامة تعمل بطاقة منخفضة، وقابلة للإصلاح وإعادة التدوير. من المحتمل جدًا ألا يبدو هذا الجيل الجديد من الروبوتات مثل الروبوتات التي نراها من حولنا اليوم، ولكن هذا هو بالضبط السبب في أن التطور الاصطناعي قد يساعد. اكتشاف تصميمات جديدة من خلال العمليات التي لا تقيدها القيود التي يفرضها فهمنا لعلوم الهندسة على عملية التصميم.
It might sound like science fiction, but actually there's a serious point. While we expect the technology that I've just described to be useful in designing robots, for example, to work in situations where it's unsafe to send humans or to help us pursue our scientific quest for exoplanetary exploration, there are some more pragmatic reasons why we should consider artificial evolution. As climate change gathers pace, it is clear that we need a radical rethink to our approach to robotic design here on Earth in order to reduce that ecological footprint. For example, creating new designs of robot built from sustainable materials that operate at low energy, that are repairable and recyclable. It's quite likely that this new generation of robots won't look anything like the robots that we see around us today, but that's exactly why artificial evolution might help. Discovering novel designs by processes that are unfettered by the constraints that our own understanding of engineering science imposes on the design process.
شكرًا لكم.
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)